磁星观测证实量子力学预言的真空双折射效应

IT之家 8 月 16 日消息，真空并不像看上去那样空无一物。这是一项针对恒星残骸信号的新研究得出的核心结论。研究人员表示，这是迄今为止最有力的证据，证明极强磁场能够改变真空的物理性质，让看似空无一物的空间表现得像棱镜一样，改变光的传播方式。

这项研究由乔治华盛顿大学物理学研究生蕾切尔 · 斯图尔特主导，验证了 90 年前科学家提出的一项奇异物理效应预测。

“我们通过观测这颗遥远的恒星核心获取的信息，也为我们理解已知现实时空的本质提供了线索，这在我看来非常不可思议。”斯图尔特在一份声明中说。

这一理论可以追溯到 1936 年。当时德国物理学家维尔纳 · 海森堡与他的学生汉斯 · 欧拉提出，空间从来都不是真正的虚空。相反，空间里充斥着不断涨落的“虚粒子”海洋 —— 电子与其反物质对应物正电子，它们不断凭空出现又瞬间湮灭，在消失前会与周围环境发生短暂的相互作用。

这种亚原子层面的涨落是量子力学的必然结果，在普通条件下无法被观测到。但该理论预测，像磁星周围这样的超强磁场，能够改变光的传播方式，让光波在特定方向上的偏振程度显著增强，这一效应被称为“真空双折射”。

“要观测到真空双折射，需要的磁场强度比人类在地球上制造出的最强磁场还要高 1 亿倍以上。”研究合著者、澳大利亚斯威本科技大学天体物理学家马库斯 · 洛厄在另一份声明中表示，“幸运的是，大自然为我们提供了磁星，它们是寻找这一效应的完美宇宙实验室。”

磁星是大质量恒星爆炸后留下的致密残骸，体积和一座城市相当，拥有宇宙中已知最强的磁场。它们是极少数能产生足够强磁场、显现真空双折射效应的天体，为科学家提供了在地球无法复刻的极端环境下检验物理定律的机会。

“我们不再只是研究天体本身，而是在利用它们检验自然规律。”研究合著者、路易斯安那州立大学天体物理学家米凯拉 · 内格罗在声明中说。

天文学家此前也曾观测到这一难以捕捉的现象的蛛丝马迹，但始终没有确凿证据。2017 年，研究人员利用智利的甚大望远镜，在距离地球约 400 光年的暗淡中子星 RX J1856.5-3754 周围观测到了偏振迹象。但这些光学观测结果存在多种解释，部分原因在于很难分离出纯净的光学信号。

当时科学家就指出，要拿到确凿证据，必须依靠天基 X 射线观测台，尤其是 NASA 当时正在研发的成像 X 射线偏振探测器（IXPE）。IXPE 于 2021 年发射升空，搭载三台完全相同的望远镜，专门用于测量高能 X 射线的偏振状态。

“也就是在最近六年左右，我们才真正拥有了能在磁星周围探测到这一效应的望远镜。”洛厄在接受澳大利亚独立新闻网站 Michael West Media 采访时表示。

2025 年 3 月至 4 月，研究团队将 IXPE 对准了磁星 1E 1547-5408。这颗磁星每两秒自转一周，在同类天体中十分特殊，它能持续稳定地发射射电波。研究团队还结合了国际空间站上的 X 射线望远镜、澳大利亚的穆里扬射电望远镜，以及南非射电天文台的观测数据作为补充。

研究显示，有两项发现共同指向了真空双折射效应的存在。

首先，IXPE 捕捉到的 X 射线偏振度，是同类天体的近三倍，远超出中子星表面辐射的标准模型能单独解释的范围。其次，偏振方向与恒星的磁场方向一致，和此前在其射电波中观测到的模式完全吻合。研究人员由此得出结论：综合所有数据，真空双折射是唯一合理的解释。

“这多少让人松了口气，因为它说明我们的理论依然成立，物理学体系并没有出问题。”洛厄在接受采访时说。

对南非射电天文台首席科学家、论文合著者费尔南多 · 卡米洛而言，这一发现为他漫长的研究历程画上了圆满的一笔。卡米洛从 2007 年就开始研究 1E 1547-5408，当年他首次用穆里扬射电望远镜探测到了这颗磁星的射电波，测出了它两秒的自转周期。

“那时候，1E 1547 只是银河系中已知第二颗能发射射电波的磁星，我们当时相信持续观测肯定能发现它的有趣特性。”卡米洛在声明中说，“但我们绝对想不到，20 年后它会助力验证量子力学中一个基础又格外奇特的预测。”

研究团队希望能通过未来的探测任务进一步证实这一发现，其中包括计划中的全球轨道软 X 射线偏振计（GoSOX）轨道任务，同时也会优化计算机模拟，将真空双折射信号与磁星周围的其他物理过程区分开。

“有了这些未来数据和更新后的模拟，我们或许终于能走完海森堡在近 90 年前开启的这段探索之路。”洛厄在斯威本科技大学的声明中表示。

IT之家注意到，相关研究论文于 8 月 5 日发表在《自然》杂志上。