从”真空即空无一(yi)物“到”超强激(ji)光诱导真空无中生(sheng)有(you)“,人类对自己所处世界的(de)探索从未停止(zhi),也许宇宙就是从真空的(de)量子(zi)涨落中诞生(sheng)并(bing)演变成(cheng)现在的(de)样子(zi)的(de)。

  真(zhen)(zhen)空(kong)(kong)(kong),是千百年来人类不断探索(suo)的(de)(de)(de)问题,也是物(wu)理学最古老最基本的(de)(de)(de)问题之(zhi)一(yi)。2000多(duo)年前,古希腊(la)哲学家德谟克利特(te)提出原(yuan)子论,认为原(yuan)子以外(wai)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)(kong)间本质上就是“真(zhen)(zhen)空(kong)(kong)(kong)”。而亚里士多(duo)德则是真(zhen)(zhen)空(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)反对(dui)者,在(zai)他(ta)的(de)(de)(de)设(she)想中,“以太”填满(man)了整个空(kong)(kong)(kong)间,因此(ci)宇宙中并没有绝对(dui)的(de)(de)(de)真(zhen)(zhen)空(kong)(kong)(kong)。此(ci)后(hou),真(zhen)(zhen)空(kong)(kong)(kong)和以太两大(da)阵营的(de)(de)(de)争论不断。

  在经典物理图(tu)像中(zhong),真空(kong)的(de)确空(kong)无一物,完全免疫(yi)于外部施(shi)加的(de)任(ren)何力场,也不与任(ren)何物质形态相(xiang)(xiang)互作用。直到20世纪上半叶,随着相(xiang)(xiang)对论(lun)与量(liang)子理论(lun)结合(he)以及量(liang)子场论(lun)的(de)建(jian)立,才真正揭开了真空(kong)的(de)神(shen)秘面纱。

  根据量子(zi)(zi)场(chang)论的(de)(de)(de)(de)解释,所有粒(li)子(zi)(zi)都是场(chang)的(de)(de)(de)(de)量子(zi)(zi)化,真空(kong)的(de)(de)(de)(de)本质就是量子(zi)(zi)场(chang)的(de)(de)(de)(de)基态。真空(kong)中虽然(ran)不(bu)存在(zai)任何实粒(li)子(zi)(zi),但由于(yu)量子(zi)(zi)涨落,时时处处充满了虚粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)产生和湮灭。这(zhei)些虚粒(li)子(zi)(zi)以(yi)正反粒(li)子(zi)(zi)成对的(de)(de)(de)(de)方(fang)式出现,并在(zai)极(ji)短(duan)的(de)(de)(de)(de)时间内再次湮灭,就像沸水中的(de)(de)(de)(de)气泡,在(zai)量子(zi)(zi)电动(dong)力学(QED)真空(kong)中,这(zhei)样(yang)的(de)(de)(de)(de)气泡就是虚电子(zi)(zi)-正电子(zi)(zi)对。

  然而,与量子真空相关的(de)物理现象非(fei)常微弱,且时间、空间尺度很(hen)小,只有在极(ji)端物理环境中才(cai)(cai)会被(bei)诱(you)导出(chu)来,并通过极(ji)其(qi)精(jing)密的(de)实验测(ce)量才(cai)(cai)可能观测(ce)到。

  以典型QED真(zhen)空(kong)(kong)双折(zhe)射效应为(wei)例,当一束(shu)超强激光在(zai)真(zhen)空(kong)(kong)中(zhong)传播(bo)时会激发虚正负电(dian)子对(dui)并对(dui)它(ta)们产(chan)生(sheng)(sheng)作用,使(shi)这些(xie)虚电(dian)子对(dui)重新以更有序的方式(shi)排(pai)列,从而(er)对(dui)场(chang)产(chan)生(sheng)(sheng)一种屏蔽效果,结(jie)果导致(zhi)真(zhen)空(kong)(kong)看上去就像一种特(te)殊的介质(zhi),物理(li)学家将(jiang)其称为(wei)QED真(zhen)空(kong)(kong)极化。极化后的真(zhen)空(kong)(kong)折(zhe)射率会在(zai)两个不同方向上产(chan)生(sheng)(sheng)不一样的变(bian)化,导致(zhi)真(zhen)空(kong)(kong)双折(zhe)射效应,从而(er)使(shi)一束(shu)线偏振探针激光穿过被极化的真(zhen)空(kong)(kong)之后变(bian)成椭(tuo)圆偏振。这种现(xian)象为(wei)物理(li)学家实验探索强场(chang)QED真(zhen)空(kong)(kong)提(ti)供了可能。

  既(ji)然真空(kong)中(zhong)充(chong)满(man)了虚粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)对(dui)(dui),那么有(you)没(mei)有(you)可(ke)(ke)能(neng)将这些虚粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)对(dui)(dui)激(ji)(ji)发成(cheng)实(shi)(shi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi),即(ji)在(zai)真空(kong)中(zhong)直接产(chan)生物(wu)质(zhi)呢?理论上在(zai)QED真空(kong),可(ke)(ke)以在(zai)虚电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)-正电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)对(dui)(dui)重新湮(yin)灭之(zhi)前,通过超强(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)场施加外部作用力将它们分开,从而让(rang)这一对(dui)(dui)虚粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)变成(cheng)实(shi)(shi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)保留下来。但研究表明,在(zai)真空(kong)中(zhong)直接利用超强(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)打出正负电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)对(dui)(dui)所需要(yao)的激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)强(qiang)度比(bi)目前实(shi)(shi)验室最强(qiang)的激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)要(yao)强(qiang)一千万倍。

  一个可能(neng)(neng)的(de)方法是将高(gao)能(neng)(neng)电(dian)子(zi)(zi)束(shu)与超强(qiang)激(ji)光对撞,由(you)于相对论(lun)效应,在电(dian)子(zi)(zi)束(shu)运动的(de)参考系中(zhong),激(ji)光场强(qiang)度可以得到(dao)极大增强(qiang),从(cong)而达到(dao)产(chan)(chan)生正(zheng)负电(dian)子(zi)(zi)对的(de)条件。物理学家还找到(dao)了其他能(neng)(neng)在实验室间接实现产(chan)(chan)生正(zheng)负电(dian)子(zi)(zi)对的(de)方法,例(li)如(ru)中(zhong)国(guo)科(ke)学院上(shang)海光学精密机械研(yan)究所(suo)已通过超强(qiang)激(ji)光打靶实验产(chan)(chan)生了电(dian)子(zi)(zi)与正(zheng)电(dian)子(zi)(zi)。

  按(an)照真空的(de)(de)思路大(da)胆想象,我们(men)的(de)(de)宇宙或许(xu)原本就是一顿从(cong)无到(dao)有(you)的(de)(de)“免费(fei)午餐”,从(cong)真空的(de)(de)量子涨落中产(chan)生,逐(zhu)渐(jian)变成现在的(de)(de)样(yang)子。利(li)用超短超强激光也许(xu)能够帮(bang)助(zhu)我们(men)更深刻地理解(jie)真空的(de)(de)本质。