無中生有的魔術

歐陽昊

真空是否空無一物？

在遙遠縹緲的太空中，有著許多虛無冷寂的空間，這里距離其他星辰都很遠，沒有一絲氣體，甚至連一個原子也找不到。這些廣闊空洞的區域被稱為真空。

真空確實非常“空”，但物理學家始終懷疑，真空中是否真的空無一物？

在經典物理盛行的年代，物理學界曾流行著這樣一種看法——真空中彌漫著一種特殊的物質，叫做“以太”。根據經典電動力學，光是一種電磁波，電磁波在真空中以光速傳播，但波動的傳輸需要依賴于某種媒介，“以太”便被用來充當這種媒介。

20世紀初，物理學迎來了兩次偉大的變革——相對論和量子力學。愛因斯坦用狹義相對論證實，電磁場本身也是一種物質，而電磁波是這種物質的一種運動方式，它不需要依賴“以太”就可以在空間中傳播。

在相對論推翻了“以太”之后，物理學家用量子力學替代經典物理，描述微觀世界。埃爾溫·薛定諤提出的薛定諤方程是量子力學的基本方程，但這個方程沒有考慮相對論效應。保羅·狄拉克改進了這一點，他首次將相對論和量子力學協調在一起，提出了狄拉克方程。

狄拉克方程將得到一個非常有趣、也令人困惑的結果——世界上會存在大量看不見、摸不著的帶有負能量的電子，而真空就是這種負能量電子聚集的“海洋”。如果真空中充滿了大量電子，那么人類為何從來沒有感受到這些電子所帶來的庫侖力（即兩個電荷之間的作用力）？

量子漲落生產虛粒子

不過，在奇妙的量子世界中，一切皆有可能。在狄拉克方程的激勵下，物理學家繼續潛心研究了20年，終于找到了可以揭示真空奧秘的全新的量子理論，它就是量子電動力學。

量子電動力學是在量子力學和相對論的基礎上發展而來的，它以“量子場”作為研究對象，這種學科也被稱為“量子場論”。簡單說來，“量子場論”將一切物質都視為量子化的場，比如，電子是量子化的電子場，光子是量子化的電磁場，而真空則是量子場的基態，相當于數學上的“零點”。

在量子力學的時空里，粒子或量子場即使處于能量最低的基態，仍然會有一個無法被剝奪的能量，這個能量叫做零點能。由于零點能的存在，量子場將在時空中振動，永遠不會停下來。真空作為量子場的基態，其中沒有實體粒子，但仍存在著場的振動，于極短的時間里會產生能量，然后迅速湮滅——這一現象叫做量子漲落。兩位美國物理學家曾經分別通過實驗證實了量子漲落。威利斯·蘭姆發現，電子在真空中運動時，量子漲落可以引起電子能級產生的微小變化，這一變化被稱為蘭姆位移。波利卡普·庫什用磁共振技術觀察真空中運動的電子，發現量子漲落可以屏蔽電子的自旋，改變電子的磁矩，被稱為反常磁矩。

那么，量子漲落如何影響了電子的狀態？美國物理學家理查德·費曼做了解釋。當電子進入真空時，它會發射和吸收虛光子。同時，與電子相互作用的虛光子還可以變成一對虛的正負電子，然后這對虛的正負電子又可以相互湮滅重新變成一個虛光子——這個更高階的過程被稱為真空極化。

所以，在量子電動力學的世界中，電子看似在真空中運動，其實本質上是在含有大量虛光子、虛的正負電子對的“海洋”中運動。其中虛的正負電子被稱為虛粒子，它們和虛光子一樣都是由量子漲落產生，因為虛的正負電子對會在極短的時間內產生和湮滅，所以真空整體上不表現出帶電性。

昂貴的激光魔術

除了發現虛粒子，根據量子電動力學還可以得到一個很有吸引力的假說：如果電場足夠強，那么真空就可以“被打破”，虛粒子也能被觀測到。換句話說，虛粒子包括虛的正電子和虛的負電子，兩者會在因為接觸湮滅而無法被檢測到，但如果能制造出一個強大的電場，虛的正負電子對就可以被分開，成為可以被探測到的真實的粒子。

這種情況需要的能量閾值被稱作施溫格極限，它以另一位量子電動力學理論家、諾貝爾物理學獎獲得者朱利安·施溫格的名字命名的。在該極限下，真空就會“無中生有”，檢測出許多虛粒子。如果要達到施溫格極限，需要用超大數量的光子轟擊虛粒子，這樣才能使后者獲得所需的能量。那么這個能量值是多少呢？它相當于地球上所有發電廠提供能量的10億倍，并且還要將其輸入進一個還沒有原子大的空間里。這聽起來不太現實，除非物理學家可以緩慢積攢能量然后通過密集光束一次性發射出去。

在這種需求下，激光器就可以派上用場了。激光器內部會通過一系列連鎖反應制造出大量相同頻率的光子，當這些光子以窄束發射出來時，其產生的能量能夠切割鋼鐵。但是，早期的激光強度是有限的，科學家也一直在尋找方法，可以保證高強度的激光不會過度損壞激光器的內部結構。1985年，法國物理學家杰拉德·穆魯發明了一種放大激光的技術，可以先展寬激光脈沖，從而使脈沖減弱，然后再放大激光。這樣就可以避免激光器內部結構的灼燒損傷，使激光器產生高能量激光。

在這之后，穆魯開始沖刺更高的目標——制造出可以打破真空的超級激光器。2005年，穆魯領導的一項以建造超強激光器為目標的科研項目——極端光設施計劃（簡稱ELI項目）就于歐洲啟動，很快，就有來自13個歐洲國家的40個實驗室參與其中，這項計劃還得到了歐盟8.5億歐元的財政支持。如今，ELI項目有三個激光器站點，其中，位于羅馬尼亞布加勒斯特市附近的ELI原子核物理學實驗室擁有兩個1千萬億瓦級別的超級激光器，其強度可以達到全球最強激光器的水準。

不過，ELI三個站點的激光器中還沒有一臺能夠單獨達到施溫格極限，即使將他們現有的激光器的能量強度提高10倍，與施溫格極限所需的能量強度相比仍然弱了1萬倍。所以，ELI的物理學家們還在努力提高激光器的強度并進行測試。比如，他們曾提出一個新奇的方案，那就是使用一面以接近光速的速度飛行的鏡子。如果激光束在這面鏡子上反射，那么激光波長就會被壓縮，使其聚集在一個更小的點上。這個點越小，激光所含的能量就越高。當然，這個方案中的鏡子并不是日常生活使用的鏡子，而是可以反射激光的等離子體。只是這個方案的可行性較差，物理學家很難讓這樣一面“鏡子”以光速飛行。目前比較靠譜的方法仍然是讓兩束或更多束的激光束交叉，這樣交匯點的激光強度可以變為之前的兩倍或更多。

除了ELI項目，美國、中國、俄羅斯的激光物理學家也在積極朝著施溫格極限努力，動輒投入數千萬美元。穆魯相信，人類不久就可以從真空中得到虛粒子，從而獲取更多宇宙的秘密。

ELI項目的研究人員在工作中