无中生有的魔术

欧阳昊

真空是否空无一物？

在遥远缥缈的太空中，有着许多虚无冷寂的空间，这里距离其他星辰都很远，没有一丝气体，甚至连一个原子也找不到。这些广阔空洞的区域被称为真空。

真空确实非常“空”，但物理学家始终怀疑，真空中是否真的空无一物？

在经典物理盛行的年代，物理学界曾流行着这样一种看法——真空中弥漫着一种特殊的物质，叫做“以太”。根据经典电动力学，光是一种电磁波，电磁波在真空中以光速传播，但波动的传输需要依赖于某种媒介，“以太”便被用来充当这种媒介。

20世纪初，物理学迎来了两次伟大的变革——相对论和量子力学。爱因斯坦用狭义相对论证实，电磁场本身也是一种物质，而电磁波是这种物质的一种运动方式，它不需要依賴“以太”就可以在空间中传播。

在相对论推翻了“以太”之后，物理学家用量子力学替代经典物理，描述微观世界。埃尔温·薛定谔提出的薛定谔方程是量子力学的基本方程，但这个方程没有考虑相对论效应。保罗·狄拉克改进了这一点，他首次将相对论和量子力学协调在一起，提出了狄拉克方程。

狄拉克方程将得到一个非常有趣、也令人困惑的结果——世界上会存在大量看不见、摸不着的带有负能量的电子，而真空就是这种负能量电子聚集的“海洋”。如果真空中充满了大量电子，那么人类为何从来没有感受到这些电子所带来的库仑力（即两个电荷之间的作用力）？

量子涨落生产虚粒子

不过，在奇妙的量子世界中，一切皆有可能。在狄拉克方程的激励下，物理学家继续潜心研究了20年，终于找到了可以揭示真空奥秘的全新的量子理论，它就是量子电动力学。

量子电动力学是在量子力学和相对论的基础上发展而来的，它以“量子场”作为研究对象，这种学科也被称为“量子场论”。简单说来，“量子场论”将一切物质都视为量子化的场，比如，电子是量子化的电子场，光子是量子化的电磁场，而真空则是量子场的基态，相当于数学上的“零点”。

在量子力学的时空里，粒子或量子场即使处于能量最低的基态，仍然会有一个无法被剥夺的能量，这个能量叫做零点能。由于零点能的存在，量子场将在时空中振动，永远不会停下来。真空作为量子场的基态，其中没有实体粒子，但仍存在着场的振动，于极短的时间里会产生能量，然后迅速湮灭——这一现象叫做量子涨落。两位美国物理学家曾经分别通过实验证实了量子涨落。威利斯·兰姆发现，电子在真空中运动时，量子涨落可以引起电子能级产生的微小变化，这一变化被称为兰姆位移。波利卡普·库什用磁共振技术观察真空中运动的电子，发现量子涨落可以屏蔽电子的自旋，改变电子的磁矩，被称为反常磁矩。

那么，量子涨落如何影响了电子的状态？美国物理学家理查德·费曼做了解释。当电子进入真空时，它会发射和吸收虚光子。同时，与电子相互作用的虚光子还可以变成一对虚的正负电子，然后这对虚的正负电子又可以相互湮灭重新变成一个虚光子——这个更高阶的过程被称为真空极化。

所以，在量子电动力学的世界中，电子看似在真空中运动，其实本质上是在含有大量虚光子、虚的正负电子对的“海洋”中运动。其中虚的正负电子被称为虚粒子，它们和虚光子一样都是由量子涨落产生，因为虚的正负电子对会在极短的时间内产生和湮灭，所以真空整体上不表现出带电性。

昂贵的激光魔术

除了发现虚粒子，根据量子电动力学还可以得到一个很有吸引力的假说：如果电场足够强，那么真空就可以“被打破”，虚粒子也能被观测到。换句话说，虚粒子包括虚的正电子和虚的负电子，两者会在因为接触湮灭而无法被检测到，但如果能制造出一个强大的电场，虚的正负电子对就可以被分开，成为可以被探测到的真实的粒子。

这种情况需要的能量阈值被称作施温格极限，它以另一位量子电动力学理论家、诺贝尔物理学奖获得者朱利安·施温格的名字命名的。在该极限下，真空就会“无中生有”，检测出许多虚粒子。如果要达到施温格极限，需要用超大数量的光子轰击虚粒子，这样才能使后者获得所需的能量。那么这个能量值是多少呢？它相当于地球上所有发电厂提供能量的10亿倍，并且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里。这听起来不太现实，除非物理学家可以缓慢积攒能量然后通过密集光束一次性发射出去。

在这种需求下，激光器就可以派上用场了。激光器内部会通过一系列连锁反应制造出大量相同频率的光子，当这些光子以窄束发射出来时，其产生的能量能够切割钢铁。但是，早期的激光强度是有限的，科学家也一直在寻找方法，可以保证高强度的激光不会过度损坏激光器的内部结构。1985年，法国物理学家杰拉德·穆鲁发明了一种放大激光的技术，可以先展宽激光脉冲，从而使脉冲减弱，然后再放大激光。这样就可以避免激光器内部结构的灼烧损伤，使激光器产生高能量激光。

在这之后，穆鲁开始冲刺更高的目标——制造出可以打破真空的超级激光器。2005年，穆鲁领导的一项以建造超强激光器为目标的科研项目——极端光设施计划（简称ELI项目）就于欧洲启动，很快，就有来自13个欧洲国家的40个实验室参与其中，这项计划还得到了欧盟8.5亿欧元的财政支持。如今，ELI项目有三个激光器站点，其中，位于罗马尼亚布加勒斯特市附近的ELI原子核物理学实验室拥有两个1千万亿瓦级别的超级激光器，其强度可以达到全球最强激光器的水准。

不过，ELI三个站点的激光器中还没有一台能够单独达到施温格极限，即使将他们现有的激光器的能量强度提高10倍，与施温格极限所需的能量强度相比仍然弱了1万倍。所以，ELI的物理学家们还在努力提高激光器的强度并进行测试。比如，他们曾提出一个新奇的方案，那就是使用一面以接近光速的速度飞行的镜子。如果激光束在这面镜子上反射，那么激光波长就会被压缩，使其聚集在一个更小的点上。这个点越小，激光所含的能量就越高。当然，这个方案中的镜子并不是日常生活使用的镜子，而是可以反射激光的等离子体。只是这个方案的可行性较差，物理学家很难让这样一面“镜子”以光速飞行。目前比较靠谱的方法仍然是让两束或更多束的激光束交叉，这样交汇点的激光强度可以变为之前的两倍或更多。

除了ELI项目，美国、中国、俄罗斯的激光物理学家也在积极朝着施温格极限努力，动辄投入数千万美元。穆鲁相信，人类不久就可以从真空中得到虚粒子，从而获取更多宇宙的秘密。

ELI项目的研究人员在工作中