史上首次观察到真空中量子的扭曲

1. 使用欧洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)的超大型望远镜(Very Large Telescope,VLT),一个科学家团队有史以来第一次观察到真空双折射(vacuum birefringence)。

2. 这个团队只用可见光来观察距离地球约4百光年的中子星RX J1856.5-375,把现有的望远镜技术推向极限。

真空双折射

真空双折射

真空双折射是一种奇怪的量子现象,只有在原子规模上才能看到。它发生在一颗中子星被一个非常强烈的磁场包围时,在真空中的一块区域产生;在那里物质随机出现和消失。

由于强烈磁场的关系,这个在真空中的光偏振首先是在1930年代被物理学家维尔纳?海森堡(Werner Heisenberg)和汉斯?海因里希?欧拉(Hans Heinrich Euler)认为可能是量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)理论的产物。这个理论描述了光和物质的相互作用。

真空双折射

真空双折射

现在,有史以来第一次,这个奇怪的量子效应被来自意大利米兰的国家天文物理研究所(INAF)与波兰的绿山城大学(University of Zielona Gora)的一个科学家团队观察到。

使用欧洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)的超大型望远镜(Very Large Telescope,VLT),由罗伯托·米格纳尼(Roberto Mignani)领导的研究团队,观察距离地球约4百光年的中子星RX J1856.5-375。

中子星相当暗淡,但它们比太阳重10倍。因此,它们有极强的磁场瀰漫在表面和周围。

真空应该是空无一物的空间(至少根据爱因斯坦和牛顿)。在那裏,光可以不受限制或不受改变的通过。但是,根据QED,空间(太空)充满了虚拟粒子,不断地突然冒出实体和消失。非常强的磁场,像是围绕中子星的那些磁场,可以改变像是真空那样的空间。

真空双折射

真空双折射

使用在VLT上的FORS2仪器,这些研究人员能够只用可见光来观察中子星,把现有的望远镜技术推向极限。

研究这颗恒星的VLT数据,这些研究人员看见大约16%显着程度的线性偏振发生。这很可能是由于在RX J1856.5-375周围区域的真空双折射所造成的。

米格纳尼说:「我们用VLT测量到的高线性[偏振],无法用我们的模型轻易解释,除非包含了QED预测的真空双折射效应。」

真空双折射

真空双折射

受限于使用的技术,米格纳尼相信未来的望远镜可以透过研究其他中子星,来发现更多关于类似的奇怪量子效应。他说:「用下一代望远镜来做[偏振]测量,例如ESO的欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope,EELT),在更多中子星周围的真空双折射效应的QED预言测试中,扮演重要的角色。」

研究员吴建华(Kinwah Wu,暂译)说:「现在第一次在可见光做的这种测量,也为在X射线波长进行类似的测量铺路。」