八十年前預測終獲證實：真空性質被改變

八十多年前，科學家針對光在極強磁場中的行為表現提出了 " 真空雙折射 " 理論，如今該理論終於得到了證實。真空雙折射理論指出，磁場會使真空起到稜鏡的效果，光從中穿過時會發生偏振現象。

近日，義大利國家天體物理研究所和波蘭綠山城大學的天文學家在使用歐洲南方天文台的甚大望遠鏡研究一顆遙遠的中子星發出的光線時，首次觀測到了這種偏振現象。研究人員稱，在接下來的十年間，在新一代望遠鏡的幫助下，我們可以利用這一特性判斷中子星的大小和引力。

這顆中子星是在一顆至少有太陽十倍大的恆星發生劇烈爆炸後形成的，也就是超新星。中子星的密度極高，僅一勺物質便重達胡夫金字塔的 900 多倍。中子星周圍還分布著極強的磁場，強度可達太陽磁場的數十億倍。而多虧了中子星周圍這些強大的磁場，天文學家才得以首次觀測到 " 真空雙折射現象 "。

" 問題在於，比太陽磁場強數十億倍的磁場是無法在地球上被創造出來的，它們僅存在於中子星這樣的恆星周圍。" 該研究的主要作者羅伯托 · 米格納尼教授指出。但在此次研究中，科學家成功在距地球 400 光年之遙的中子星 RX J1856.5-3754 周圍觀測到了光的偏振現象。量子電力學（簡稱 QUE）是描述光子與帶電粒子之間相互作用的量子理論。該理論指出，太空中充滿了虛粒子，隨時會出現或消失。

將近 100 年前，該理論剛被提出的時候，德國物理學家維爾納 · 海森堡和漢斯 · 海因里希 · 歐拉便對真空雙折射效應做出了預測。他們提出，強大的磁場可能會改變恆星周圍真空的特性，導致光線穿過時會發生偏振現象。偏振指的是光振動的方向。如果光在一個平面上進行振動，便屬於線偏振；而如果光的振動方向呈圓形，則構成了圓偏振。

" 在強大的磁場影響下，真空的性質會發生巨大的變化。" 義大利帕多瓦大學的羅伯托 · 杜羅拉指出，" 電磁輻射和可見光在穿過處於強大磁場中的真空時，便會發生偏振，轉化為兩種不同的模式：平常模式和反常模式。"

但這種情況只有在類似該研究中的中子星周圍才能實現。" 這麼強大的磁場是無法在地球上的實驗室中實現的，它們只存在於中子星附近，而中子星是宇宙中已知的、最強大的磁鐵。" 羅伯托 · 杜羅拉說道。" 這也是我們見過的最微弱的偏振現象，必須用世界上最大、最高效的望遠鏡才能觀測到。" 義大利國家天體物理研究所的文森佐 · 特斯塔表示。

" 我覺得最令人激動的是，這項預測原本是量子電力學這樣的基礎物理理論所提出的，雖然歷經 80 年之久，但從未通過實驗證實過。而如今，我們居然藉助了天文學方法，通過觀測中子星驗證了這一預言的正確性。"

研究人員還需要觀測其它中子星，從而驗證該效應是否會對其它光線的波長同樣造成影響。有了能夠測定 X 光的新一代天文望遠鏡之後，天文學家便能將其付諸實踐了。加拿大不列顛哥倫比亞大學的一名天體物理學家傑洛米 · 海爾稱，如果從太空中進行測定的話，由量子效應引發的偏振應該能達到百分之百的水平。

海爾指出，研究偏振現象將幫助天體物理學家推斷出中子星的相關屬性，如大小和表面引力強度等。