真空不空！如何從真空中產生物質？

2024-02-08文化

兩千多年前，老子便在【道德經】中對宇宙萬物的產生作出了論斷：天下萬物生於有，有生於無。

而在三百多年前，德國哲學家和數學家萊布尼茨提出了一個令科學家和哲學家困擾不已的問題：「Why is there something rather than nothing？」

現代宇宙學為這個問題提供了一個令人驚嘆的答案： 真空（nothing）的量子漲落催生了今天的宇宙（something）！ 宇宙起源於真空，經過上百億年的演化，逐漸形成了我們今天所熟悉的宇宙景象：星空閃爍、生命繁盛。

為了理解這一不可思議的奇觀，讓我們一起來探究一個最基本的問題：如何從真空中產生物質？

真空不「空」

愛因斯坦在1905年提出了質能轉換方程式(E＝mc²)。該方程式中的E表示能量，m表示質素，c表示真空中的光速。這個著名的公式揭示了質素和能量之間等價的基本事實，為人類認識自然界提供了更加深入的方法和思考方式，比如：什麽是真空？

雖然真空看似空無一物，但實際上它是一個復雜的虛粒子海洋。 根據量子力學的測不準原理，真空中的能量在短暫時間內允許起伏，起伏越大則時間越短，從這種能量起伏產生的粒子就是虛粒子（virtual particle）。虛粒子以極高的頻率出現和消失，與周圍的場相互作用。

圖真空是虛粒子的海洋圖源| 維基百科

真空存在著電磁能量，被稱為「零點能」。其中的「零」指的是，如果將宇宙溫度降至絕對零度（宇宙可能的最低能態），一部份能量仍將存在。實際上，這種能量相當巨大。對於真空中究竟存在多少能量，物理學家存在不同的觀點。 有觀點認為，一個與質子相當大小的真空區所含的能量可能與整個宇宙中所有物質所含的能量相當。

真空的行為是由量子場所描述的。盡管這些場的平均值通常為零（除了希格斯場），但它們的變異數並不為零。這意味著真空中存在著持續的量子漲落。

在外界的影響下，真空的量子漲落現象可能會產生一些效應。背景電磁場會引起虛電子-正電子對的產生，這一現象被稱為「真空量子漲落」。這些虛粒子會改變原始電磁場的電荷和電流分布。盡管虛粒子不能被直接觀測到，但透過與實粒子的相互作用，它們所產生的效應是可被探測到的。

1948年，荷蘭物理學家卡西米爾(Casimir)預言真空中兩個不帶電荷的金屬板會因為電磁場的量子漲落的影響而受到吸重力，不過這個吸重力非常微弱。直到1997年，物理學家們才透過足夠精確的實驗直接證實了卡西米爾效應的存在。卡西米爾效應表明了「真空」不「空」。

然而，當外場超過施溫格極限（電場和磁場極限：4.4 x 10 特斯拉，等價於1.3×10 伏/米或者2.3×10 瓦/平方厘米）時，真空極化現象會發生變化。量子電動力學（QED）預言在極高的電磁場強度下會出現許多新的物理現象，包括布萊特-惠勒過程、施溫格效應和真空雙折射效應等。這些研究對於理解真空的本質非常重要。

下面，我們來詳細解釋這些物理現象。

布雷特－惠勒過程

1934 年，布雷特(Breit)和惠勒(Wheeler)從理論上描述了光子-光子布雷特－惠勒過程：兩個光子透過撞擊結合在一起後，有可能變成物質，形成電子和正電子。這是將純光轉化為物質的最簡單機制，這個過程是愛因斯坦質能方程式的直接反映，表明能量和質素是可以相互轉化的。

圖美國物理學家格雷戈裏·布萊特(1899—1981) 圖源| 維基百科

圖美國物理學家惠勒(1911－2008) 圖源| 維基百科

圖：布萊特-惠勒過程是兩個高能光子（Gamma光子）碰撞後產生電子-正電子對。圖源| 維基百科

長期以來，人們期望透過超強功率的激光碰撞來觀測這個過程。1997年，史丹佛線性加速器中心透過高能電子與反向傳播的太瓦激光脈沖的碰撞觀察到了多光子布韋特-惠勒現象。

當布雷特和惠勒提出這個反應過程時，激光還沒有被發明，他們提出透過加速重離子到相對論能區並碰撞來觀測。直到2019年，大型強子對撞機（LHC）的ATLAS實驗才首次明確觀測到光子-光子散射現象，而這是在鉛離子碰撞中觀察到的（產生的場強度達到了10 V/m，遠超施溫格極限）。隨後，在2021年，RHIC-STAR國際合作組透過將兩束金原子核加速到接近光速（99.995%）並對撞，觀測到了布雷特-惠勒過程。

施溫格效應

施溫格效應是一種基於量子電動力學預測的物理現象，認為真空在強電場存在下可以導致電子-正電子對的自發產生。 這種效應最初由Sauter在1931年提出，而施溫格在1951年提出了完整的理論描述。

圖施溫格效應。在存在強電場的情況下，真空中的電子和正電子將會自發產生。圖源| 維基百科

圖美國物理學家施溫格圖源| 維基百科

施溫格效應的重要性在於它預測了一種基本的過程，即物質從純能量中產生。這種過程在粒子物理學、宇宙學等多個領域都具有重要的影響。

盡管施溫格效應在理論上被預測，但由於需要極強的電場強度，其原始形式從未被觀測到。為了測試這種效應，實驗物理學家想出了一些方法來產生強電場，並觀察產生的粒子對。

一種研究方法是施加強電場，可以透過在石墨烯層較短距離處放置金屬門來實作。實驗表明，在強電場的影響下，石墨烯中可以產生電子-電洞對，這可透過光學電導率的急劇增加進行觀察。盡管施溫格效應在石墨烯中並未直接觀測到，但這些實驗為進一步了解施溫格效應的基本物理和其對石墨烯的意義提供了有價值的見解。

比較布萊特-惠勒過程和施溫格效應

布萊特-惠勒過程和施溫格效應，都展示了如何從看似空無一物的真空中創造物質，並為我們探索物質和能量的基本特性提供了新的途徑。然而， 這兩種效應在發生的相互作用類別、能量尺度、粒子產生和實驗觀察上都存在關鍵差異 ：

第一，布萊特-惠勒效應涉及兩個光子之間的相互作用，而施溫格效應涉及強電場和真空之間的相互作用；

第二，布萊特-惠勒過程是有種子(seed)粒子參與，而施溫格效應是從無種子粒子的真空中產生電子對；

第三，施溫格效應需要極強的電磁場，而布萊特-惠勒效應發生在相對較弱的電磁場中；

第四，施溫格效應可以產生各種粒子，而布萊特-惠勒效應只會產生輕子對；

第五，布萊特-惠勒效應已在實驗中觀測到，施溫格效應尚未直接觀測到。

真空雙折射效應

真空還有一種有趣的效應——雙折射效應。我們先從光的雙折射談起。

光的雙折射現象最早由丹麥科學家Rasmus Bartholin在1669年描述，他觀察到方解石是一種具有最強雙折射的晶體。雙折射現象是指光入射到各向異性的介質後出現兩束折射光線的現象：尋常光線o光(ordinary ray)服從折射定律，非常光線e光(extraordinary ray)不服從折射定律。

真空雙折射效應由海森堡和其學生歐拉於1936年提出。真空雙折射效應是源於量子物理和電動力學的一種現象，它與光的雙折射有著相似的效應。

圖漢斯·海因裏希·歐拉 (1909–1941) 圖源| 維基百科

通常真空被認為是完全空的，光可以在不改變的情況下穿過它。 真空雙折射理論指出，磁場會使真空起到棱鏡的效果，光從中穿過時會發生偏振現象。 在強磁場下，光會分成兩種不同的模式：平常模式和反常模式。

中子星附近的磁場是宇宙中已知最強的磁場，真空雙折射效應在中子星附近最顯著。2016年，歐洲的一組科學家在觀測了RX J1856.5-3754中子星(這是一顆距離我們約401光年、位於南冕座的中子星)後，宣布發現了真空雙折射現象：在強磁場的作用下，真空會表現得像雙折射晶體一樣，使得光子的偏振在傳播過程中產生改變, 16%的光表現出了線性偏振。

圖來自強磁性中子星（左）表面的光在穿過靠近恒星的太空真空到達地球觀察者（右）時如何變成線性偏振。在極強磁場中觀察到的光的偏振表明，中子星周圍的真空空間受到真空雙折射的量子效應的影響。光線的磁場和電場方向由紅線和藍線表示。圖源| scinews

2021年，美國RHIC-STAR國際合作組實驗觀測到正負電子對的角關聯呈現4階余弦振蕩，這是真空雙折射現象的有力證據。該測量是人類首次在地球上透過實驗觀測到真空雙折射現象。

此外，真空的漲落還可能產生正反誇克對，這就涉及到了強相互作用真空，即量子色動力學（QCD）真空。對於量子色動力學的真空，其特點與量子電動力學真空類似，也有真空對稱自發破缺、質素的起源、真空凝聚和誇克禁閉等現象存在。研究這些現象可以幫助我們更好地理解和揭示真空的本質。

未來實驗

對真空的結構和性質研究，已經取得了一些初步的成果。但是，真空還有很多未知問題有待解決和證實，比如真空的結構和真空能量等。 未來有多種實驗方法可以幫助我們理解真空，其中兩類比較重要的方法是超強激光和強流重離子束流實驗 。

目前，國際上最常用的X射線自由電子激光（X-ray free-electron-laser，XFEL）裝置采用SASE（self-amplified spontaneous emission）模式，即利用輻射場和電子束之間持續相互作用的自發放大輻射。已有多個國家開發了使用該模式的X射線自由電子激光裝置。目前中國正在建設的硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）上的「極端光物理」線站采用1 keV光子能量的XFEL，聚焦至數納米的光斑尺寸，強度可達10 瓦/平方厘米。

隨著XFEL技術的發展，未來將有可能產生超過施溫格極限的光強，從產生真空中產生出正負電子對。

利用慢離子束也可以產生超強電磁場，從而檢驗施溫格效應。超臨界區域可在兩個重離子的緩慢碰撞中實作，在真空中形成瞬時的準原子，由於失去穩定性，準原子自發衰變產生電子-正電子對。

鑒於德國（GSI/FAIR）、中國（HIAF）和俄羅斯（NICA）即將建成的實驗設施，科學家對研究施溫格效應等問題的興趣又被重新點燃。

利用重離子研究裝置，還可以開展繆原子實驗，透過繆原子研究真空極化。與束縛電子相比，負繆子在極其接近原子核的軌域運動，因此所受到的強電場作用要大得多，產生了巨大的QED效應。2023年，日本科學家透過分析每個繆子特征X射線的貢獻，以0.1電子伏特的高精度確定了繆子特征X射線的能量，成功驗證了強電場下真空極化的效果。