真空不空！物理学家捕获“虚无”粒子，改写空间定义

"空"的空间，从来就不是真正的空。这个在量子物理学界流传了几十年的断言，终于在实验室里拿到了直接的证据支撑。

布鲁克海文国家实验室的STAR探测器团队在《自然》杂志上发表了一项重磅成果：他们在高能质子碰撞实验中，首次探测到从量子真空中产生的粒子携带着可测量的自旋关联信号，这一信号的统计显著性达到4.4个标准差，接近粒子物理学公认的发现门槛。

这不是理论预言，而是实验数据。

沸腾的真空，以及一种叫λ的信使粒子

要理解这个实验发现意味着什么，先要拆解"量子真空"这个概念。

在经典物理学的语境里，真空就是什么都没有的空间。但量子力学的不确定性原理意味着，即便在"空"的空间里，粒子和反粒子也会不断地成对出现，然后在极短的时间内湮灭，整个过程转瞬即逝，常规手段根本无从探测。这些短暂存在的粒子对，被称为"虚粒子"。物理学家德米特里·哈尔泽耶夫曾言简意赅地说："量子理论中的真空并非空无一物。"

问题是，虚粒子如何才能被探测到？

STAR团队的策略是用极高能量的质子碰撞去"激发"这片沸腾的背景，把真空中原本转瞬即逝的虚夸克对"踢"出来，让它们演化成可以被探测器追踪的真实粒子。在相对论重离子对撞机上，质子被加速到光速的99.996%，碰撞产生的能量密度足以触发这个过程。

但夸克在自然界中从不以单独粒子的形式存在，所以实验团队追踪的是由奇异夸克组成的复合粒子，λ超子和它的反物质孪生体反λ超子。λ超子是一种绝佳的"信使"：它的寿命大约是十亿分之一秒，衰变前能飞行几厘米，而它衰变的方式直接编码了它的自旋方向，让探测器有机会从衰变产物中反推出原始的自旋状态。

研究团队从数百万次质子碰撞中筛选出紧密成对出现的λ和反λ粒子，测量它们之间的自旋关联。结果显示，这些短程粒子对的自旋相关性约为18%，与零相比具有4.4个标准差的统计显著性。更关键的是，当粒子对之间的角度差增大，也就是两者在碰撞后彼此距离变远时，这种关联就消失了，这与量子退相干的理论预期完全吻合，意味着量子关联在粒子分离到一定程度后就被环境噪声所破坏。

这套"出现在近处才相关、拉开距离就消失"的模式，是真空起源假说的核心预测，如今在实验数据中得到了印证。

这个发现的射程，远超粒子物理本身

发现λ粒子的自旋关联，乍看像是一件专属于粒子物理学家的事，但它触及的问题，其实是整个物理学中最根本的谜题之一：质子的质量从哪里来？

质子是构成原子核的基本单元，而组成质子的三个夸克，其静止质量加起来只占质子总质量的约1%。剩下的99%来自哪里？现有理论认为，这部分质量产生于夸克之间传递强相互作用的胶子场，以及量子色动力学真空的内在结构，也就是那片不断涌动着虚粒子的背景。但这一机制至今缺乏足够直接的实验验证。

STAR实验提供的，正是这样一扇"独特的窗口"，布鲁克海文实验室的物理学家周敦明用了这个表述。通过追踪真空中的虚夸克对如何在碰撞中被激发并留下可测量的量子印记，科学家们正在逐步拼出强相互作用在真空尺度上如何运作的图景，而这正是理解质子质量起源的核心拼图。

在实验基础设施层面，这项研究也标志着一个时代的结束和另一个时代的开启。RHIC已于2026年2月正式关闭运行，布鲁克海文实验室将在同一条周长2.4英里的隧道里建造全新的电子-离子对撞机，计划在2035年前后开始实验，重复利用RHIC留下的1000多个超导磁体，在相同的土地上用更精密的工具继续追问同一个问题。

真空从来就不是故事的背景，它是故事本身。这个看不见、摸不着、曾被认为什么都没有的地方，正在一点一点地交出它隐藏已久的秘密。