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人类首次在宇宙中观测到量子真空的奇异特性

发布时间:2016-12-02 16:01浏览次数:100Tags:星空天文

八十年前的科学预言一朝被证实?

中子星发出的光被极化。ESO / L. Calçada

要介绍这一疑似的发现前,首先必须普及一下量子真空和中子星的常识。

什么是真空?按照通常的认识,真空就是一无所有的空间。光线在真空中穿行丝毫不受影响。但是在量子力学中,真空并非一无所有。

量子电动力学(QED)主要负责解释光子和带电粒子(如电子)在真空中的相互作用,是量子力学的一个分支。该理论认为,空间其实充满了虚粒子对。这些虚粒子对会随时出现并湮灭。极强的磁场会改变空间特性,因此会导致光线穿越时被极化(偏振化),发生所谓的“真空双折射”现象。

“真空双折射”是量子电动力学作出的多个预言之一。但是一直以来缺乏直接的实验证明。自维尔纳·海森堡(以测不准原理而著称)和汉斯·海因里希·欧拉80年前在论文中作出预言后,科学家一直都未能在实验室中成功地检测到这种现象。原因就在于,这种量子效应只能在极强的磁场里发生。

下面再来说中子星。

中子星是一种密度极高的恒星残骸。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。中子星拥有极为强大的磁场,它们的磁场强度可以达到太阳磁场强度的数十亿倍。

所以中子星和中子星的磁场成了我们检验许多自然基本法则的宝贵实验所。

中子星RX J1856.5-3754周边天区。左下方的线条是一颗移动的小行星。中子星就在照片中心,但是它过于昏暗,以致于无法看到。ESO

RX J1856.5-3754是一颗距地球约400光年的中子星。400光年在天文学里属于相对较近的距离,这颗中子星也是所有中子星里离地球最近的一批。但是尽管如此,由于它极为昏暗,观测起来也相当困难,已经接近了当前最先进望远镜的能力极限。天文学家动用了欧洲南方天文台甚大望远镜阵列上一个名为FORS2的设备,才能对其进行可见光观测。

中子星RX J1856.5-3754周围天区的宽视场影像。ESO / 数字化巡天2期

在对所获数据进行极为认真的分析后,来自米兰国家天体物理研究所(意大利)和绿山城大学(波兰)的Roberto Mignani及其科研团队在其中发现了偏振度大约为16%线性极化现象。他们认为,这很可能是由发生在RX J1856.5-3754周围空间内的“真空双折射”现象的增强效应所带来的。

Mignani说:“普通模型难以解释这种高度线性极化现象,除非我们把‘真空双折射’效应包括进去。”英国伦敦大学穆勒空间科学实验室的Silvia Zane则表示,“这是第一个支持此类产生在极端强磁场内的量子电动力学效应预言的研究结果。”

如果确是这样,那么这可能是人类在中子星周围首次观测到量子真空的奇异特性。但还需更多的中子星观测结果和不同波段的观测结果加以佐证。这一目标,可以在望远镜技术的持续发展推动下完成。

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