陈旭荣：真空不空！如何从真空中产生物质？

 

两千多年前，老子便在《道德经》中对宇宙万物的产生作出了论断：天下万物生于有，有生于无。而在三百多年前，德国哲学家和数学家莱布尼茨提出了一个令科学家和哲学家困扰不已的问题：“Why is there something rather than nothing？”

 

现代宇宙学为这个问题提供了一个令人惊叹的答案：真空（nothing）的量子涨落催生了今天的宇宙（something）！宇宙起源于真空，经过上百亿年的演化，逐渐形成了我们今天所熟悉的宇宙景象：星空闪烁、生命繁盛。

 

为了理解这一不可思议的奇观，让我们一起来探究一个最基本的问题：如何从真空中产生物质？

 

01

真空不“空”

 

爱因斯坦在1905年提出了质能转换方程(E＝mc²)。该方程中的E表示能量，m表示质量，c表示真空中的光速。这个著名的公式揭示了质量和能量之间等价的基本事实，为人类认识自然界提供了更加深入的方法和思考方式，比如：什么是真空？

 

虽然真空看似空无一物，但实际上它是一个复杂的虚粒子海洋。根据量子力学的测不准原理，真空中的能量在短暂时间内允许起伏，起伏越大则时间越短，从这种能量起伏产生的粒子就是虚粒子（virtual particle）。虚粒子以极高的频率出现和消失，与周围的场相互作用。

 

 

图 真空是虚粒子的海洋 图源| 维基百科

 

真空存在着电磁能量，被称为“零点能”。其中的“零”指的是，如果将宇宙温度降至绝对零度（宇宙可能的最低能态），一部分能量仍将存在。实际上，这种能量相当巨大。对于真空中究竟存在多少能量，物理学家存在不同的观点。有观点认为，一个与质子相当大小的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量相当。

 

真空的行为是由量子场所描述的。尽管这些场的平均值通常为零（除了希格斯场），但它们的方差并不为零。这意味着真空中存在着持续的量子涨落。

 

在外界的影响下，真空的量子涨落现象可能会产生一些效应。背景电磁场会引起虚电子-正电子对的产生，这一现象被称为“真空量子涨落”。这些虚粒子会改变原始电磁场的电荷和电流分布。尽管虚粒子不能被直接观测到，但通过与实粒子的相互作用，它们所产生的效应是可被探测到的。 

 

1948年，荷兰物理学家卡西米尔(Casimir)预言真空中两个不带电荷的金属板会因为电磁场的量子涨落的影响而受到吸引力，不过这个吸引力非常微弱。直到1997年，物理学家们才通过足够精确的实验直接证实了卡西米尔效应的存在。卡西米尔效应表明了“真空”不“空”。

 

然而，当外场超过施温格极限（电场和磁场极限：4.4 x 10⁹特斯拉，等价于1.3×10¹⁶伏/米或者2.3×10²⁹瓦/平方厘米）时，真空极化现象会发生变化。量子电动力学（QED）预言在极高的电磁场强度下会出现许多新的物理现象，包括布莱特-惠勒过程、施温格效应和真空双折射效应等。这些研究对于理解真空的本质非常重要。

 

下面，我们来详细解释这些物理现象。

 

02

布雷特－惠勒过程

 

1934 年，布雷特(Breit)和惠勒(Wheeler)从理论上描述了光子-光子布雷特－惠勒过程：两个光子通过撞击结合在一起后，有可能变成物质，形成电子和正电子。这是将纯光转化为物质的最简单机制，这个过程是爱因斯坦质能方程的直接反映，表明能量和质量是可以相互转化的。

 

 

图 美国物理学家格雷戈里·布莱特(1899—1981) 图源| 维基百科

 

图 美国物理学家惠勒(1911－2008) 图源| 维基百科

 

图：布莱特-惠勒过程是两个高能光子（伽马光子）碰撞后产生电子-正电子对。图源| 维基百科

 

长期以来，人们期望通过超强功率的激光碰撞来观测这个过程。1997年，斯坦福线性加速器中心通过高能电子与反向传播的太瓦激光脉冲的碰撞观察到了多光子布赖特-惠勒现象。

 

当布雷特和惠勒提出这个反应过程时，激光还没有被发明，他们提出通过加速重离子到相对论能区并碰撞来观测。直到2019年，大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验才首次明确观测到光子-光子散射现象，而这是在铅离子碰撞中观察到的（产生的场强度达到了10²⁵V/m，远超施温格极限）。随后，在2021年，RHIC-STAR国际合作组通过将两束金原子核加速到接近光速（99.995%）并对撞，观测到了布雷特-惠勒过程。

 

03

施温格效应

 

施温格效应是一种基于量子电动力学预测的物理现象，认为真空在强电场存在下可以导致电子-正电子对的自发产生。这种效应最初由Sauter在1931年提出，而施温格在1951年提出了完整的理论描述。

 

 

图 施温格效应。在存在强电场的情况下，真空中的电子和正电子将会自发产生。图源| 维基百科

 

图 美国物理学家施温格 图源| 维基百科

 

施温格效应的重要性在于它预测了一种基本的过程，即物质从纯能量中产生。这种过程在粒子物理学、宇宙学等多个领域都具有重要的影响。

 

尽管施温格效应在理论上被预测，但由于需要极强的电场强度，其原始形式从未被观测到。为了测试这种效应，实验物理学家想出了一些方法来产生强电场，并观察产生的粒子对。

 

一种研究方法是施加强电场，可以通过在石墨烯层较短距离处放置金属门来实现。实验表明，在强电场的影响下，石墨烯中可以产生电子-空穴对，这可通过光学电导率的急剧增加进行观察。尽管施温格效应在石墨烯中并未直接观测到，但这些实验为进一步了解施温格效应的基本物理和其对石墨烯的意义提供了有价值的见解。

 

04

比较布莱特-惠勒过程和施温格效应

 

布莱特-惠勒过程和施温格效应，都展示了如何从看似空无一物的真空中创造物质，并为我们探索物质和能量的基本特性提供了新的途径。然而，这两种效应在发生的相互作用类型、能量尺度、粒子产生和实验观察上都存在关键差异：

 

第一， 布莱特-惠勒效应涉及两个光子之间的相互作用，而施温格效应涉及强电场和真空之间的相互作用；

 

第二， 布莱特-惠勒过程是有种子(seed)粒子参与，而施温格效应是从无种子粒子的真空中产生电子对；

 

第三， 施温格效应需要极强的电磁场，而布莱特-惠勒效应发生在相对较弱的电磁场中；

 

第四， 施温格效应可以产生各种粒子，而布莱特-惠勒效应只会产生轻子对；

 

第五， 布莱特-惠勒效应已在实验中观测到，施温格效应尚未直接观测到。

 

05

真空双折射效应

 

真空还有一种有趣的效应——双折射效应。我们先从光的双折射谈起。

 

光的双折射现象最早由丹麦科学家Rasmus Bartholin在1669年描述，他观察到方解石是一种具有最强双折射的晶体。双折射现象是指光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象：寻常光线o光(ordinary ray)服从折射定律，非常光线e光(extraordinary ray)不服从折射定律。

 

真空双折射效应由海森堡和其学生欧拉于1936年提出。真空双折射效应是源于量子物理和电动力学的一种现象，它与光的双折射有着相似的效应。

 

 

图 汉斯·海因里希·欧拉 (1909–1941) 图源| 维基百科

 

通常真空被认为是完全空的，光可以在不改变的情况下穿过它。真空双折射理论指出，磁场会使真空起到棱镜的效果，光从中穿过时会发生偏振现象。在强磁场下，光会分成两种不同的模式：平常模式和反常模式。

 

中子星附近的磁场是宇宙中已知最强的磁场，真空双折射效应在中子星附近最显著。2016年，欧洲的一组科学家在观测了RX J1856.5-3754中子星(这是一颗距离我们约401光年、位于南冕座的中子星)后，宣布发现了真空双折射现象：在强磁场的作用下，真空会表现得像双折射晶体一样，使得光子的偏振在传播过程中产生改变, 16%的光表现出了线性偏振。

 

 

图 来自强磁性中子星（左）表面的光在穿过靠近恒星的太空真空到达地球观察者（右）时如何变成线性偏振。在极强磁场中观察到的光的偏振表明，中子星周围的真空空间受到真空双折射的量子效应的影响。光线的磁场和电场方向由红线和蓝线表示。图源| https://www.sci.news/astronomy/vacuum-birefringence-04410.html

 

2021年，美国RHIC-STAR国际合作组实验观测到正负电子对的角关联呈现4阶余弦振荡，这是真空双折射现象的有力证据。该测量是人类首次在地球上通过实验观测到真空双折射现象。

 

此外，真空的涨落还可能产生正反夸克对，这就涉及到了强相互作用真空，即量子色动力学（QCD）真空。对于量子色动力学的真空，其特点与量子电动力学真空类似，也有真空对称自发破缺、质量的起源、真空凝聚和夸克禁闭等现象存在。研究这些现象可以帮助我们更好地理解和揭示真空的本质。

 

06

未来实验

 

对真空的结构和性质研究，已经取得了一些初步的成果。但是，真空还有很多未知问题有待解决和证实，比如真空的结构和真空能量等。未来有多种实验方法可以帮助我们理解真空，其中两类比较重要的方法是超强激光和强流重离子束流实验。

 

目前，国际上最常用的X射线自由电子激光（X-ray free-electron-laser，XFEL）装置采用SASE（self-amplified spontaneous emission）模式，即利用辐射场和电子束之间持续相互作用的自发放大辐射。已有多个国家开发了使用该模式的X射线自由电子激光装置。目前我国正在建设的硬X射线自由电子激光装置（SHINE）上的“极端光物理”线站采用1 keV光子能量的XFEL，聚焦至数纳米的光斑尺寸，强度可达10²⁵瓦/平方厘米。

 

随着XFEL技术的发展，未来将有可能产生超过施温格极限的光强，从产生真空中产生出正负电子对。

 

利用慢离子束也可以产生超强电磁场，从而检验施温格效应。超临界区域可在两个重离子的缓慢碰撞中实现，在真空中形成瞬时的准原子，由于失去稳定性，准原子自发衰变产生电子-正电子对。

 

鉴于德国（GSI/FAIR）、中国（HIAF）和俄罗斯（NICA）即将建成的实验设施，科学家对研究施温格效应等问题的兴趣又被重新点燃。

 

利用重离子研究装置，还可以开展缪原子实验，通过缪原子研究真空极化。与束缚电子相比，负缪子在极其接近原子核的轨道运动，因此所受到的强电场作用要大得多，产生了巨大的QED效应。2023年，日本科学家通过分析每个缪子特征X射线的贡献，以0.1电子伏特的高精度确定了缪子特征X射线的能量，成功验证了强电场下真空极化的效果。

 

 

图 显示缪原子和量子电动力学效应的概念图 图源| https://www.ipmu.jp/en/20230510-QED

 

强流重离子加速器（HIAF）是我国正在建设的一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置。HIAF及未来拟升级的HIAF-U装置独特的8字型设计，将为利用重离子及缪原子探索包括施温格效应在内的真空本质的研究创造独特条件。

 

 

图| 位于广东省惠州市的HIAF装置效果图 图源|中国科学院近代物理研究所

 

07

总结和展望

 

真空不仅真的不空，而且含有丰富的物理！

 

真空物理是一个奇妙而引人入胜的领域，在粒子物理和核物理学许多领域中扮演着至关重要的角色，比如从亚原子粒子的性质到宇宙起源的探索。我们的宇宙可能确实起源于真空的量子涨落。

 

随着现代强场激光和重离子加速器等技术的不断发展，我们对真空本质的研究将会进一步加深，从而促进我们对宇宙起源和万物的认识。

 

致谢：感谢华南师范大学杨帅教授和中国空气动力研究与发展中心胡华雨副研究员的审阅。

 

参考文献：

1. 蓝志成 著 胡华雨 译，现代宇宙学中的禅：从万物皆空到无中生有，上海辞书出版社 2013.

2. 劳伦斯·克劳斯著，王岚翻译，无中生有的宇宙，天津科学技术出版社，原作名: A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing， 2022.

3. Breit, Wheeler, Phys. Rev. 46 (1934) 1087.

4. RHIC-STAR实验合作组, Phys. Rev. Lett. 127, 052302 (2021).

5. 强流重离子加速器及其科学研究专题，中国科学: 物理学 力学 天文学，2020.

6. A. Fedotov, A. Ilderton, F. Karbstein, B. King, D. Seipt, H. Taya, and G. Torgrimsson, Phys. Rep. 1010, 1 (2023).

 

作者：陈旭荣；来源： 中国科学院近代物理研究所微信号