强大磁场会改变真空性质：八十年前预测终获证实

八十多年前，科学家针对光在极强磁场中的行为表现提出了“真空双折射”理论，如今该理论终于得到了证实。真空双折射理论指出，磁场会使真空起到棱镜的效果，光从中穿过时会发生偏振现象。　

在此次研究中，科学家成功在距地球400光年之遥的中子星RX J1856.5-3754周围观测到了光的偏振现象。图为该中子星附近区域的照片。

图为暗淡的中子星RX J1856.5-3754周围的天空，该中子星位于南冕座。这部分天空中还包含了变星南冕座R星（左上角）周围或明或暗的星云，以及球状星团NGC 6723。　　

近日，意大利国家天体物理研究所（INAF）和波兰绿山城大学（University of Zielona Gora）的天文学家在使用欧洲南方天文台的甚大望远镜研究一颗遥远的中子星发出的光线时，首次观测到了这种偏振现象。研究人员称，在接下来的十年间，在新一代望远镜的帮助下，我们可以利用这一特性判断中子星的大小和引力。

这颗中子星是在一颗至少有太阳十倍大的恒星发生剧烈爆炸后形成的，也就是超新星。中子星的密度极高，仅一勺物质便重达胡夫金字塔的900多倍。中子星周围还分布着极强的磁场，强度可达太阳磁场的数十亿倍。而多亏了中子星周围这些强大的磁场，天文学家才得以首次观测到“真空双折射现象”。

“问题在于，比太阳磁场强数十亿倍的磁场是无法在地球上被创造出来的，它们仅存在于中子星这样的恒星周围。”该研究的主要作者罗伯托·米格纳尼教授（Roberto Mignani）指出。但在此次研究中，科学家成功在距地球400光年之遥的中子星RX J1856.5-3754周围观测到了光的偏振现象。量子电力学（简称QUE）是描述光子与带电粒子之间相互作用的量子理论。该理论指出，太空中充满了虚粒子，随时会出现或消失。

将近100年前，该理论刚被提出的时候，德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和汉斯·海因里希·欧拉（Hans Heinrich Euler）便对真空双折射效应做出了预测。他们提出，强大的磁场可能会改变恒星周围真空的特性，导致光线穿过时会发生偏振现象。偏振指的是光振动的方向。如果光在一个平面上进行振动，便属于线偏振；而如果光的振动方向呈圆形，则构成了圆偏振。

“在强大的磁场影响下，真空的性质会发生巨大的变化。”意大利帕多瓦大学的罗伯托·杜罗拉（Roberto Turolla）指出，“电磁辐射和可见光在穿过处于强大磁场中的真空时，便会发生偏振，转化为两种不同的模式：平常模式（ordinary modes）和反常模式（extraordinary modes）。”

但这种情况只有在类似该研究中的中子星周围才能实现。“这么强大的磁场是无法在地球上的实验室中实现的，它们只存在于中子星附近，而中子星是宇宙中已知的、最强大的磁铁。”罗伯托·杜罗拉说道。“这也是我们见过的最微弱的偏振现象，必须用世界上最大、最高效的望远镜才能观测到。”意大利国家天体物理研究所的文森佐·特斯塔（Vincenzo Testa）表示。

“我觉得最令人激动的是，这项预测原本是量子电力学这样的基础物理理论所提出的，虽然历经80年之久，但从未通过实验证实过。而如今，我们居然借助了天文学方法，通过观测中子星验证了这一预言的正确性。”

研究人员还需要观测其它中子星，从而验证该效应是否会对其它光线的波长同样造成影响。有了能够测定X光的新一代天文望远镜之后，天文学家便能将其付诸实践了。加拿大不列颠哥伦比亚大学的一名天体物理学家杰洛米·海尔（Jeremy Heyl）称，如果从太空中进行测定的话，由量子效应引发的偏振应该能达到百分之百的水平。

海尔指出，研究偏振现象将帮助天体物理学家推断出中子星的相关属性，如大小和表面引力强度等。

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