无中生有的魔术 ——用激光探索虚粒子,魔术

无中生有的魔术 ——用激光探索虚粒子

真空是否空无一物？

在遥远缥缈的太空中， 有着许多虚无冷寂的空间， 这里距离其他 星辰都很远， 没有一丝气体， 甚至连一个原子也找不到。 这些广阔空洞的区域被称为真空。

真空确实非常“空”， 但物理学家始终怀疑， 真空中是否真的空无一物？

在经典物理盛行的年代， 物理学界曾流行着这样一种看法——真空中弥漫着一种特殊的物质， 叫做“以太”。 根据经典电动力学， 光是一种电磁波， 电磁波在真空中以光速传播， 但波动的传输需要依赖于某种媒介， “以太”便被用来充当这种媒介。 -魔术

20世纪初， 物理学迎来了 两次伟大的变革——相对论和量子力学。 爱因斯坦用狭义相对论证实， 电磁场本身也是一种物质， 而电磁波是这种物质的一种运动方式， 它不需要依赖“以太”就可以在空间中传播。 -魔术

在相对论推翻了 “以太”之后， 物理学家用量子力学替代经典物理， 描述微观世界。 埃尔温·薛定谔提出的薛定谔方程是量子力学的基本方程， 但这个方程没有考虑相对论效应。 保罗·狄拉克改进了 这一点， 他 首次将相对论和量子力学协调在一起， 提出了 狄拉克方程。 -魔术

狄拉克方程将得到一个非常有趣、也令人困惑的结果——世界上会存在大量看不见、摸不着的带有负能量的电子， 而真空就是这种负能量电子聚集的“海洋”。 如果真空中充满了 大量电子， 那么人类为何从来没有感受到这些电子所带来的库仑力（即两个电荷之间的作用力）？ -魔术

量子涨落生产虚粒子

不过， 在奇妙的量子世界中， 一切皆有可能。 在狄拉克方程的激励下， 物理学家继续潜心研究了 20年， 终于找到了 可以揭示真空奥秘的全新的量子理论， 它就是量子电动力学。

量子电动力学是在量子力学和相对论的基础上发展而来的， 它以“量子场”作为研究对象， 这种学科也被称为“量子场论”。 简单说来， “量子场论”将一切物质都视为量子化的场， 比如， 电子是量子化的电子场， 光子是量子化的电磁场， 而真空则是量子场的基态， 相当于数学上的“零点”。 -魔术

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在量子力学的时空里， 粒子或量子场即使处于能量最低的基态， 仍然会有一个无法被剥夺的能量， 这个能量叫做零点能。 由于零点能的存在， 量子场将在时空中振动， 永远不会停下来。 真空作为量子场的基态， 其中没有实体粒子， 但仍存在着场的振动， 于极短的时间里会产生能量， 然后迅速湮灭——这一现象叫做量子涨落。 两位美国物理学家曾经分别通过实验证实了 量子涨落。 威利斯·兰姆发现， 电子在真空中运动时， 量子涨落可以引起电子能级产生的微小变化， 这一变化被称为兰姆位移。 波利卡普·库什用磁共振技术观察真空中运动的电子， 发现量子涨落可以屏蔽电子的自旋， 改变电子的磁矩， 被称为反常磁矩。 -魔术

那么， 量子涨落如何影响了 电子的状态？ 美国物理学家理查德·费曼做了 解释。 当电子进入真空时， 它会发射和吸收虚光子。 同时， 与电子相互作用的虚光子还可以变成一对虚的正负电子， 然后这对虚的正负电子又可以相互湮灭重新变成一个虚光子——这个更高阶的过程被称为真空极化。 -魔术

所以， 在量子电动力学的世界中， 电子看似在真空中运动， 其实本质上是在含有大量虚光子、虚的正负电子对的“海洋”中运动。 其中虚的正负电子被称为虚粒子， 它们和虚光子一样都是由量子涨落产生， 因为虚的正负电子对会在极短的时间内产生和湮灭， 所以真空整体上不表现出带电性。 -魔术

昂贵的激光魔术

除了 发现虚粒子， 根据量子电动力学还可以得到一个很有吸引力的假说：如果电场足够强， 那么真空就可以“被打破”， 虚粒子也能被观测到。 换句话说， 虚粒子包括虚的正电子和虚的负电子， 两者会在因为接触湮灭而无法被检测到， 但如果能制造出一个强大的电场， 虚的正负电子对就可以被分开， 成为可以被探测到的真实的粒子。 -魔术

这种情况需要的能量阈值被称作施温格极限， 它以另一位量子电动力学理论家、诺贝尔物理学奖获得者朱利安·施温格的名字命名的。 在该极限下， 真空就会“无中生有”， 检测出许多虚粒子。 如果要达到施温格极限， 需要用超大数量的光子轰击虚粒子， 这样才能使后者获得所需的能量。 那么这个能量值是多少呢？ 它相当于地球上所有发电厂提供能量的10亿倍， 并且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里。 这听起来不太现实， 除非物理学家可以缓慢积攒能量然后通过密集光束一次性发射出去。 -魔术

ELI项目的研究人员在工作中

在这种需求下， 激光器就可以派上用场了 。 激光器内部会通过一系列连锁反应制造出大量相同频率的光子， 当这些光子以窄束发射出来时， 其产生的能量能够切割钢铁。 但是， 早期的激光强度是有限的， 科学家也一直在寻找方法， 可以保证高强度的激光不会过度损坏激光器的内部结构。 1985年， 法国物理学家杰拉德·穆鲁发明了 一种放大激光的技术， 可以先展宽激光脉冲， 从而使脉冲减弱， 然后再放大激光。 这样就可以避免激光器内部结构的灼烧损伤， 使激光器产生高能量激光。 -魔术

在这之后， 穆鲁开始冲刺更高的目标——制造出可以打破真空的超级激光器。 2005年， 穆鲁领导的一项以建造超强激光器为目标的科研项目——极端光设施计划（简称ELI项目）就于欧洲启动， 很快， 就有来自13个欧洲国家的40个实验室参与其中， 这项计划还得到了 欧盟8.5亿欧元的财政支持。 如今， ELI项目有三个激光器站点， 其中， 位于罗马尼亚布加勒斯特市附近的ELI原子核物理学实验室拥有两个1千万亿瓦级别的超级激光器， 其强度可以达到全球最强激光器的水准。 -魔术

不过， ELI三个站点的激光器中还没有一台能够单独达到施温格极限， 即使将他 们现有的激光器的能量强度提高10倍， 与施温格极限所需的能量强度相比仍然弱了 1万倍。 所以， ELI的物理学家们还在努力提高激光器的强度并进行测试。 比如， 他 们曾提出一个新奇的方案， 那就是使用一面以接近光速的速度飞行的镜子。 如果激光束在这面镜子上反射， 那么激光波长就会被压缩， 使其聚集在一个更小的点上。 这个点越小， 激光所含的能量就越高。 当然， 这个方案中的镜子并不是日常生活使用的镜子， 而是可以反射激光的等离子体。 只是这个方案的可行性较差， 物理学家很难让这样一面“镜子”以光速飞行。 目前比较靠谱的方法仍然是让两束或更多束的激光束交叉， 这样交汇点的激光强度可以变为之前的两倍或更多。 -魔术

除了 ELI项目， 美国、中国、俄罗斯的激光物理学家也在积极朝着施温格极限努力， 动辄投入数千万美元。 穆鲁相信， 人类不久就可以从真空中得到虚粒子， 从而获取更多宇宙的秘密。