量子真空真的“沸騰”！科學家捕捉到無中生有的關鍵證據

探索宇宙奧秘 · 理性思考

如果你把一個盒子里的空氣全部抽干，里面剩下什么？

直覺告訴你，是絕對的“空無一物”。但物理學家會搖搖頭告訴你：那里依然熱鬧得像個菜市場。量子力學認為，真空中充滿了瞬息萬變的能量漲落，無數“虛粒子”在生滅之間閃爍。

這項剛剛發表在《自然》雜志上的研究，為我們理解“物質如何從虛無中誕生”打開了一扇全新的窗口。

我們要先聊聊這個“不空”的真空。

在量子場論的描述下，真空并非死寂的荒原，而是沸騰的海洋。海森堡測不準原理告訴我們，能量和時間不能同時被精確確定。這意味著，在極短的時間內，能量可以不守恒。于是，真空中會憑空蹦出一對正反粒子，比如夸克和反夸克。 它們借了能量誕生，又極快地相互湮滅，歸還能量。

這個過程快到無法被直接觀測。因此，這些粒子被稱為“虛粒子”。它們像幽靈一樣，雖然無處不在，卻從未在這個世界上留下真實的痕跡。

他們讓質子在RHIC中對撞。這不僅僅是簡單的粉碎，而是通過極高能量的撞擊，為真空提供強大的能量輸入。科學家們推測，如果撞擊恰到好處，就能給那些原本“轉瞬即逝”的虛粒子注入足夠的能量，讓它們“賴著不走”，變成真實的、可探測的粒子。

這就像在沸騰的水面上加了一把火，讓那些短暫的水泡直接變成了蒸汽。

理論很完美，但怎么證明這些新粒子真的來自真空，而非普通的碰撞碎片？

科學家們盯上了一種叫“Lambda超子”（Λ）的粒子，以及它的反物質兄弟。Lambda超子有一個奇特的性質：它包含一個“奇異夸克”。而在真空漲落中產生的虛夸克對，其自旋方向總是高度相關的。

自旋是粒子的內稟角動量，你可以把它想象成微型磁體的指向。在真空里產生的虛夸克對，自旋方向就像一對默契的舞伴，總是保持著特定的關聯。

STAR合作組分析了數百萬次質子對撞的數據。他們發現了一個驚人的現象：當Lambda超子和反Lambda超子成對出現，且彼此靠得很近時，它們的自旋方向表現出100%的關聯。

這是一個決定性的證據。

在普通的核反應中，粒子的自旋方向通常是隨機的。只有當這對粒子起源于同一個量子態——也就是那個自旋關聯的虛夸克對時，它們才會表現出如此整齊劃一的特性。

這就像我們在人群中找到了一對雙胞胎，不僅長得像，連眨眼睛的頻率都完全同步。這證明了它們確實來自同一個“母體”——那個量子真空中的漲落。

正如該研究的共同負責人涂周敦明所言：“這是第一次我們能夠直接看到，構成這些粒子的夸克是來自真空的。”

在這場探索量子真空的國際競賽中，中國科學家從未缺席，并且扮演了至關重要的角色。

STAR合作組是一個龐大的國際團隊，其中中國科研力量占據了舉足輕重的位置。中國科學院近代物理研究所、清華大學、北京大學、山東大學等國內頂尖機構，長期以來都是RHIC實驗的中堅力量。

具體到這項研究，中國在硬件和數據分析上都有深度貢獻。例如，STAR探測器的升級和維護，許多關鍵子系統的研發都有中國科學家的智慧。在處理海量的碰撞數據、剔除背景噪聲方面，中國團隊也展現了強大的計算和分析能力。

更重要的是，中國在“重離子物理”和“夸克物質”研究領域有著深厚的積累。

位于廣東東莞的中國散裂中子源（CSNS）雖然主要利用中子，但在多粒子關聯技術上有共通之處。而位于蘭州的重離子加速器國家實驗室（HIRFL），則是國內研究高能核物理的橋頭堡。

此外，中國科學家也在積極規劃未來的大科學裝置。關于“電子-離子對撞機（EIC）”的討論和預研，國內學術界一直保持高度關注。這不僅是追趕國際前沿，更是為了在探索物質起源的征途中掌握更多主動權。

這項發現的意義，遠不止于驗證了一個理論。

它為我們提供了一個獨特的工具，去研究“量子到經典”的過渡過程。實驗發現，如果這對Lambda超子產生后離得比較遠，它們的自旋關聯就會消失。這說明環境干擾（比如與其他夸克的相互作用）破壞了這種量子糾纏。

這不僅是核物理的問題，也直接關系到量子信息科學。我們如何保護量子比特不受環境干擾？看看這些從真空中誕生的粒子是如何“長大”并“失去童真”的，或許能給我們啟發。

涂周敦明博士打了個比方：我們可以像觀察“量子雙胞胎”一樣，通過不同的原子核環境來觀察虛夸克對的成長，研究它們如何“成年”以及如何保留來自“童年”的記憶。

如果說RHIC是讓質子對撞來“暴力”窺探真空，那么未來的EIC就像是用電子做探針，更精細地掃描質子內部。這將幫助人類徹底解開“質量從何而來”以及“可見物質如何從虛無中涌現”的終極謎題。

從無到有，從虛到實，科學的魅力就在于它能讓我們看見看不見的世界。