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真空是空的麼?

http://finance.sina.com   2019年03月14日 18:55   北京新浪網

  來源:科學大院

  從”真空即空無一物“到”超強激光誘導真空無中生有“,人類對自己所處世界的探索從未停止,也許宇宙就是從真空的量子漲落中誕生並演變成現在的樣子的。

  真空,是千百年來人類不斷探索的問題,也是物理學最古老最基本的問題之一。2000多年前,古希臘哲學家德謨克利特提出原子論,認爲原子以外的空間本質上就是“真空”。而亞里士多德則是真空的反對者,在他的設想中,“以太”填滿了整個空間,因此宇宙中並沒有絕對的真空。此後,真空和以太兩大陣營的爭論不斷。

  在經典物理圖像中,真空的確空無一物,完全免疫於外部施加的任何力場,也不與任何物質形態相互作用。直到20世紀上半葉,隨着相對論與量子理論結合以及量子場論的建立,才真正揭開了真空的神祕面紗。

  根據量子場論的解釋,所有粒子都是場的量子化,真空的本質就是量子場的基態。真空中雖然不存在任何實粒子,但由於量子漲落,時時處處充滿了虛粒子的產生和湮滅。這些虛粒子以正反粒子成對的方式出現,並在極短的時間內再次湮滅,就像沸水中的氣泡,在量子電動力學(QED)真空中,這樣的氣泡就是虛電子-正電子對。

  然而,與量子真空相關的物理現象非常微弱,且時間、空間尺度很小,只有在極端物理環境中才會被誘導出來,並通過極其精密的實驗測量纔可能觀測到。

  以典型QED真空雙折射效應爲例,當一束超強激光在真空中傳播時會激發虛正負電子對並對它們產生作用,使這些虛電子對重新以更有序的方式排列,從而對場產生一種屏蔽效果,結果導致真空看上去就像一種特殊的介質,物理學家將其稱爲QED真空極化。極化後的真空折射率會在兩個不同方向上產生不一樣的變化,導致真空雙折射效應,從而使一束線偏振探針激光穿過被極化的真空之後變成橢圓偏振。這種現象爲物理學家實驗探索強場QED真空提供了可能。

  既然真空中充滿了虛粒子對,那麼有沒有可能將這些虛粒子對激發成實粒子,即在真空中直接產生物質呢?理論上在QED真空,可以在虛電子-正電子對重新湮滅之前,通過超強激光場施加外部作用力將它們分開,從而讓這一對虛粒子變成實粒子保留下來。但研究表明,在真空中直接利用超強激光打出正負電子對所需要的激光強度比目前實驗室最強的激光要強一千萬倍。

  一個可能的方法是將高能電子束與超強激光對撞,由於相對論效應,在電子束運動的參考系中,激光場強度可以得到極大增強,從而達到產生正負電子對的條件。物理學家還找到了其他能在實驗室間接實現產生正負電子對的方法,例如中國科學院上海光學精密機械研究所已通過超強激光打靶實驗產生了電子與正電子。

  按照真空的思路大膽想象,我們的宇宙或許原本就是一頓從無到有的“免費午餐”,從真空的量子漲落中產生,逐漸變成現在的樣子。利用超短超強激光也許能夠幫助我們更深刻地理解真空的本質。

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