直接證據(jù)來了！科學(xué)家觀察到真空中的虛粒子轉(zhuǎn)化成真實(shí)粒子

通常我們都會(huì)認(rèn)為，真空里應(yīng)該空無一物，什么東西都沒有，然而量子力學(xué)卻告訴我們，實(shí)際情況并非如此。

因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)中的不確定性原理可以推導(dǎo)出，在極微觀的尺度下，宇宙中的能量會(huì)不斷地出現(xiàn)漲落，進(jìn)而持續(xù)地激發(fā)出虛粒子，這些虛粒子總是會(huì)成對(duì)地出現(xiàn)，然后又會(huì)在極為短暫的時(shí)間里迅速湮滅。

這樣的現(xiàn)象被稱為量子泡沫。根據(jù)該理論，即使是在真空里也很熱鬧，因?yàn)槠渲须S時(shí)上演著大量虛粒子的生生滅滅。科學(xué)家將其形象地比喻為，當(dāng)成對(duì)的虛粒子出現(xiàn)時(shí)，它們就像是向真空“借”來了能量，而當(dāng)它們湮滅時(shí)，又把能量“還”給了真空。

不得不說，這樣的描述是很難令人接受的，畢竟真空中“憑空出現(xiàn)”粒子這事，實(shí)在是太過匪夷所思。但有意思的是，在過去的日子里，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于量子泡沫的跡象，其中最典型的就是“卡西米爾效應(yīng)”。

在實(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)家將兩片非常薄的金屬箔平行置入真空之中，然后讓其互相靠近，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離縮小到一定程度時(shí)，它們之間就會(huì)產(chǎn)生一種莫名的“吸引力”，而這樣的現(xiàn)象就被稱為“卡西米爾效應(yīng)”。

科學(xué)家認(rèn)為，之所以會(huì)這樣，其實(shí)就是因?yàn)榻饘俨饷娴牧孔优菽铮摿Ｗ涌梢宰杂傻貋韥砣トィ捎诮饘俨g的空間太小，只有特定波長(zhǎng)（也就是特定能量）的虛粒子才能在里面誕生，這就會(huì)造成外面的“虛粒子壓力”比里面更大，進(jìn)而“推”著金屬箔向彼此靠近。

由于這些跡象只能算是一種間接證據(jù)，因此科學(xué)家也一直在尋找更有力的證據(jù)，好消息是，根據(jù)一項(xiàng)近日發(fā)表在《自然》雜志上的新研究，科學(xué)家觀察到真空中的虛粒子轉(zhuǎn)化成真實(shí)粒子，而這也就意味著，直接證據(jù)來了。

此次研究的思路可以通俗地描述為，在虛粒子出現(xiàn)的瞬間，如果我們?yōu)槠渥⑷肽芰浚瑤退鼈儼选扒贰闭婵盏哪芰拷o“還”了，那虛粒子就不會(huì)消失，從而轉(zhuǎn)化成真實(shí)的粒子。

在此次研究中，科學(xué)家利用粒子加速器把質(zhì)子流加速到0.9999倍光速，然后讓它們對(duì)撞，制造出極端高能的環(huán)境。從理論上來講，在這種情況下，那些原本只存在于真空漲落中的虛粒子，就有機(jī)會(huì)獲得足夠多的能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成真實(shí)的粒子。

在觀察過程中，科學(xué)家將目光投向了一種被稱為Λ 超子（Lambda超子）的粒子。

簡(jiǎn)而言之，Λ 超子是一種由三個(gè)夸克組成的重子，只不過它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和普通物質(zhì)略有不同，我們熟悉的質(zhì)子和中子是由上夸克和下夸克組成，而Λ 超子則包含一個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克，以及一個(gè)奇異夸克。

奇異夸克的存在，讓這種粒子比普通質(zhì)子更重，也極不穩(wěn)定，因此它們只能在高能粒子碰撞中被短暫制造出來，然后在極短的時(shí)間迅速衰變。

對(duì)科學(xué)家來說，這種壽命極為短暫的粒子是一個(gè)非常理想的觀察對(duì)象，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)被環(huán)境反復(fù)干擾，其身上保留的信息非常“干凈”，并且它們的自旋方向可以通過衰變產(chǎn)物被準(zhǔn)確測(cè)量出來。

通過大量的測(cè)量，科學(xué)家觀察到了一個(gè)現(xiàn)象，那就是當(dāng)兩個(gè)Λ 超子在碰撞中幾乎同時(shí)、并且彼此距離非常接近地生成時(shí)，它們的自旋方向是高度一致的，仿佛一對(duì)同步的“量子雙胞胎”，而當(dāng)它們生成的位置相隔較遠(yuǎn)、或者沒有同時(shí)生成時(shí)，這種關(guān)聯(lián)卻不存在。

科學(xué)家指出，這種強(qiáng)烈的自旋相關(guān)性無法用普通粒子生成機(jī)制來進(jìn)行合理解釋，卻堪稱完美地符合了基于量子泡沫的預(yù)期。

其過程簡(jiǎn)單來講就是，在碰撞發(fā)生之前，真空中曾短暫出現(xiàn)過一對(duì)奇異夸克和反奇異夸克的虛粒子，它們天生帶著量子糾纏關(guān)系，而當(dāng)碰撞提供了足夠的能量，這對(duì)原本轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子就轉(zhuǎn)化成了真實(shí)粒子，隨后參與形成了這種帶有強(qiáng)烈自旋相關(guān)性“量子雙胞胎”。

盡管這個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間極為短暫，但它們留下的量子特征卻通過真實(shí)粒子的行為被記錄下來，而這也意味著，我們真的觀察到真空中的虛粒子轉(zhuǎn)化成真實(shí)粒子。

也就是說，真空中真的會(huì)“憑空出現(xiàn)”粒子，不得不說，宇宙真的是很奇妙，你覺得呢？

參考資料：Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement，Nature 650, 65–71 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09920-0