人類首次在宇宙中觀測到量子真空的奇異特性

八十年前的科學預言一朝被證實？

中子星發出的光被極化。ESO / L. Cal?ada

要介紹這一疑似的發現前，首先必須普及一下量子真空和中子星的常識。

什麼是真空？按照通常的認識，真空就是一無所有的空間。光線在真空中穿行絲毫不受影響。但是在量子力學中，真空並非一無所有。

量子電動力學（QED）主要負責解釋光子和帶電粒子（如電子）在真空中的相互作用，是量子力學的一個分支。該理論認為，空間其實充滿了虛粒子對。這些虛粒子對會隨時出現並湮滅。極強的磁場會改變空間特性，因此會導致光線穿越時被極化（偏振化），發生所謂的「真空雙折射」現象。

「真空雙折射」是量子電動力學作出的多個預言之一。但是一直以來缺乏直接的實驗證明。自維爾納·海森堡（以測不準原理而著稱）和漢斯·海因里希·歐拉80年前在論文中作出預言後，科學家一直都未能在實驗室中成功地檢測到這種現象。原因就在於，這種量子效應只能在極強的磁場里發生。

下面再來說中子星。

中子星是一種密度極高的恆星殘骸。中子星是質量至少為太陽10倍的大質量恆星爆發為超新星後遺留下來的內核。中子星擁有極為強大的磁場，它們的磁場強度可以達到太陽磁場強度的數十億倍。

所以中子星和中子星的磁場成了我們檢驗許多自然基本法則的寶貴實驗所。

中子星RX J1856.5-3754周邊天區。左下方的線條是一顆移動的小行星。中子星就在照片中心，但是它過於昏暗，以致於無法看到。ESO

RX J1856.5-3754是一顆距地球約400光年的中子星。400光年在天文學裡屬於相對較近的距離，這顆中子星也是所有中子星里離地球最近的一批。但是儘管如此，由於它極為昏暗，觀測起來也相當困難，已經接近了當前最先進望遠鏡的能力極限。天文學家動用了歐洲南方天文台甚大望遠鏡陣列上一個名為FORS2的設備，才能對其進行可見光觀測。

中子星RX J1856.5-3754周圍天區的寬視場影像。ESO / 數字化巡天2期

在對所獲數據進行極為認真的分析後，來自米蘭國家天體物理研究所（義大利）和綠山城大學（波蘭）的Roberto Mignani及其科研團隊在其中發現了偏振度大約為16%線性極化現象。他們認為，這很可能是由發生在RX J1856.5-3754周圍空間內的「真空雙折射」現象的增強效應所帶來的。

Mignani說：「普通模型難以解釋這種高度線性極化現象，除非我們把『真空雙折射』效應包括進去。」英國倫敦大學穆勒空間科學實驗室的Silvia Zane則表示，「這是第一個支持此類產生在極端強磁場內的量子電動力學效應預言的研究結果。」

如果確是這樣，那麼這可能是人類在中子星周圍首次觀測到量子真空的奇異特性。但還需更多的中子星觀測結果和不同波段的觀測結果加以佐證。這一目標，可以在望遠鏡技術的持續發展推動下完成。

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