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量子力学的又一次胜利:一个80多年前的预言被验证

量子力学的又一次胜利:一个80多年前的预言被验证

上个世纪初,当量子力学被发展起来之后,带来了许多反直觉的结果。这样的例子有很多,比如,当我们对一个粒子的位置测量的越准确,它的动量就越不确定。所有粒子都具有波粒二象性,即它们的行为即像粒子,又像波。但最令人惊奇的或许是空的空间并不空,而是充满了虚粒子/反粒子对。

量子力学的又一次胜利:一个80多年前的预言被验证

△ 在空的空间中,虚粒子对不断地出现和消失。(© Derek Leinweber)

而在80多年前,物理学家维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)和汉斯·海因里希·欧拉(Hans Heinrich Euler)就预言,由于这些虚粒子的存在,强磁场会影响光在真空中的传播。

今天,随着中子星天文学的发展,他们的预言已经被验证。

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△ 艺术描绘的中子星。尽管它绝大部分是由中性粒子组成的,但它产生非常强大的磁场。(图片来源:NASA/Casey Reed)

中子星是质量至少为太阳10倍的大质量恒星爆发为超新星后遗留下来的内核。当我们听到中子星的时候,或许从名字中你会认为它全部是由中子组成的,但情况并不是这样的。中子星的外层主要包含了质子,甚至是电子。由于中子星旋转的非常之快——速度大于光速的百分之十——因此那些带电粒子总是在运动,这就意味着它们会产生电流和磁场。而磁场本身会对在空间中的粒子/反粒子对产生不同的影响,因为它们的电荷相反。此时,如果有光线经过这个空间区域会就会发生偏振现象。

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△ 科学家希望在实验室中通过激光脉冲来测量真空双折射,但目前都没有成功。(图片来源:Yoshihide Nakamiya)

这个现象被称为“真空双折射”,当带电粒子突然被强磁场线猛拉到相反的方向就会发生。由于该效应跟磁场强度有关,因此我们可以通过中子星来寻找它的发生。地球的磁场大约是100微特斯拉,在地球上产生的最强磁场为100特斯拉,这虽然很强,但还不够。而在中子星的极端条件下,中子星周围的空间区域产生的磁场超过10的8次方特斯拉。

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△ 由于真空双折射,当中子星表面辐射出的光线,经过强大的磁场的时候回被偏振。(图片来源:ESO/L. Calçada.)

尽管并没有很多光线从中子星的表面辐射出来,但如果有光线辐射,在达到我们的望远镜和探测器之前就必须经过强大的磁场。由于空间会呈现出真空双折射的效应,光线穿过的时候就会被偏振,并且都会显示同一个偏振方向。

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△ 甚大望远镜拍摄到了一颗非常昏暗的中子星RX J1856.5-3754,由蓝色圈圈标出。(图片来源:ESO)

在距离地球400光年外,有一颗昏暗的中子星RX J1856.5-3754。科学家通过位于智力的甚大望远镜瞄准了它,并首次在它的周围观测到了光的偏振现象。数据得出的结果是一个巨大的效应:偏振度约为16.43% ± 5.26%。通过计算就会发现,这个结果和理论预言的一致。

量子力学的又一次胜利:一个80多年前的预言被验证

△ 对中子星附近的偏振测量。(图片来源:Mignani et al. 论文中的图3)

相比其它的中子星,这个中子星之所以适合用来测量该效应是因为大多数的中子星表面都会被一层致密、充满等离子体的磁气圈所挡住。例如,如果我们尝试观测在蟹状星云内的脉冲星,我们根本就不会有任何机会可以观测到。我们想要测量的光的类型,在该区域是完全不透明的。

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△ 如果没有真空偏振效应,就不会看到任何信号。观测到的数据和理论符合的很好。(图片来源:Mignani et al. 论文中的图4)

早在1936年,海森堡和欧拉使用量子电动力学(QED)就预言了真空双折射的存在,虽然历经80多年之久,但从未被实验证实过。而如今,我们居然借助了天文学方法,通过观测中子星验证了这一预言的正确性。现在,海森堡不仅是物理学家,也是一名天体物理学家了。

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△ 欧洲航天局计划中的雅典娜X-射线望远镜。(图片来源:MPE and the Athena team)

未来,我们可以通过观测X-射线,进一步强有力的证明真空双折射现象。虽然目前我们并没有任何太空望远镜有能力测量X-射线偏振,但是欧洲航天局的雅典娜任务(预计在2028年发射)将执行这一任务。同时,结合大型的地面望远镜,比如巨型麦哲伦望远镜,我们将可以观测到更多这样的中子星,进一步验证该现象。

这是量子力学的又一次胜利。

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