量子真空真的“沸腾”！科学家捕捉到无中生有的关键证据

探索宇宙奥秘 · 理性思考

如果你把一个盒子里的空气全部抽干，里面剩下什么？

直觉告诉你，是绝对的“空无一物”。但物理学家会摇摇头告诉你：那里依然热闹得像个菜市场。量子力学认为，真空中充满了瞬息万变的能量涨落，无数“虚粒子”在生灭之间闪烁。

这项刚刚发表在《自然》杂志上的研究，为我们理解“物质如何从虚无中诞生”打开了一扇全新的窗口。

我们要先聊聊这个“不空”的真空。

在量子场论的描述下，真空并非死寂的荒原，而是沸腾的海洋。海森堡测不准原理告诉我们，能量和时间不能同时被精确确定。这意味着，在极短的时间内，能量可以不守恒。于是，真空中会凭空蹦出一对正反粒子，比如夸克和反夸克。 它们借了能量诞生，又极快地相互湮灭，归还能量。

这个过程快到无法被直接观测。因此，这些粒子被称为“虚粒子”。它们像幽灵一样，虽然无处不在，却从未在这个世界上留下真实的痕迹。

他们让质子在RHIC中对撞。这不仅仅是简单的粉碎，而是通过极高能量的撞击，为真空提供强大的能量输入。科学家们推测，如果撞击恰到好处，就能给那些原本“转瞬即逝”的虚粒子注入足够的能量，让它们“赖着不走”，变成真实的、可探测的粒子。

这就像在沸腾的水面上加了一把火，让那些短暂的水泡直接变成了蒸汽。

理论很完美，但怎么证明这些新粒子真的来自真空，而非普通的碰撞碎片？

科学家们盯上了一种叫“Lambda超子”（Λ）的粒子，以及它的反物质兄弟。Lambda超子有一个奇特的性质：它包含一个“奇异夸克”。而在真空涨落中产生的虚夸克对，其自旋方向总是高度相关的。

自旋是粒子的内禀角动量，你可以把它想象成微型磁体的指向。在真空里产生的虚夸克对，自旋方向就像一对默契的舞伴，总是保持着特定的关联。

STAR合作组分析了数百万次质子对撞的数据。他们发现了一个惊人的现象：当Lambda超子和反Lambda超子成对出现，且彼此靠得很近时，它们的自旋方向表现出100%的关联。

这是一个决定性的证据。

在普通的核反应中，粒子的自旋方向通常是随机的。只有当这对粒子起源于同一个量子态——也就是那个自旋关联的虚夸克对时，它们才会表现出如此整齐划一的特性。

这就像我们在人群中找到了一对双胞胎，不仅长得像，连眨眼睛的频率都完全同步。这证明了它们确实来自同一个“母体”——那个量子真空中的涨落。

正如该研究的共同负责人涂周敦明所言：“这是第一次我们能够直接看到，构成这些粒子的夸克是来自真空的。”

在这场探索量子真空的国际竞赛中，中国科学家从未缺席，并且扮演了至关重要的角色。

STAR合作组是一个庞大的国际团队，其中中国科研力量占据了举足轻重的位置。中国科学院近代物理研究所、清华大学、北京大学、山东大学等国内顶尖机构，长期以来都是RHIC实验的中坚力量。

具体到这项研究，中国在硬件和数据分析上都有深度贡献。例如，STAR探测器的升级和维护，许多关键子系统的研发都有中国科学家的智慧。在处理海量的碰撞数据、剔除背景噪声方面，中国团队也展现了强大的计算和分析能力。

更重要的是，中国在“重离子物理”和“夸克物质”研究领域有着深厚的积累。

位于广东东莞的中国散裂中子源（CSNS）虽然主要利用中子，但在多粒子关联技术上有共通之处。而位于兰州的重离子加速器国家实验室（HIRFL），则是国内研究高能核物理的桥头堡。

此外，中国科学家也在积极规划未来的大科学装置。关于“电子-离子对撞机（EIC）”的讨论和预研，国内学术界一直保持高度关注。这不仅是追赶国际前沿，更是为了在探索物质起源的征途中掌握更多主动权。

这项发现的意义，远不止于验证了一个理论。

它为我们提供了一个独特的工具，去研究“量子到经典”的过渡过程。实验发现，如果这对Lambda超子产生后离得比较远，它们的自旋关联就会消失。这说明环境干扰（比如与其他夸克的相互作用）破坏了这种量子纠缠。

这不仅是核物理的问题，也直接关系到量子信息科学。我们如何保护量子比特不受环境干扰？看看这些从真空中诞生的粒子是如何“长大”并“失去童真”的，或许能给我们启发。

涂周敦明博士打了个比方：我们可以像观察“量子双胞胎”一样，通过不同的原子核环境来观察虚夸克对的成长，研究它们如何“成年”以及如何保留来自“童年”的记忆。

如果说RHIC是让质子对撞来“暴力”窥探真空，那么未来的EIC就像是用电子做探针，更精细地扫描质子内部。这将帮助人类彻底解开“质量从何而来”以及“可见物质如何从虚无中涌现”的终极谜题。

从无到有，从虚到实，科学的魅力就在于它能让我们看见看不见的世界。