真空是否空無一物？
在遙遠(yuǎn)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(yuǎn)，沒有一絲氣體，甚至連一個(gè)原子也找不到。這些廣闊空洞的區(qū)域被稱為真空。
真空確實(shí)非?！翱铡保锢韺W(xué)家始終懷疑，真空中是否真的空無一物？
在經(jīng)典物理盛行的年代，物理學(xué)界曾流行著這樣一種看法——真空中彌漫著一種特殊的物質(zhì)，叫做“以太”。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，光是一種電磁波，電磁波在真空中以光速傳播，但波動(dòng)的傳輸需要依賴于某種媒介，“以太”便被用來充當(dāng)這種媒介。
20世紀(jì)初，物理學(xué)迎來了兩次偉大的變革——相對(duì)論和量子力學(xué)。愛因斯坦用狹義相對(duì)論證實(shí)，電磁場(chǎng)本身也是一種物質(zhì)，而電磁波是這種物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)方式，它不需要依賴“以太”就可以在空間中傳播。
在相對(duì)論推翻了“以太”之后，物理學(xué)家用量子力學(xué)替代經(jīng)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(xué)的基本方程，但這個(gè)方程沒有考慮相對(duì)論效應(yīng)。保羅·狄拉克改進(jìn)了這一點(diǎn)，他首次將相對(duì)論和量子力學(xué)協(xié)調(diào)在一起，提出了狄拉克方程。
狄拉克方程將得到一個(gè)非常有趣、也令人困惑的結(jié)果——世界上會(huì)存在大量看不見、摸不著的帶有負(fù)能量的電子，而真空就是這種負(fù)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(gè)電荷之間的作用力）？
量子漲落生產(chǎn)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(lì)下，物理學(xué)家繼續(xù)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(dòng)力學(xué)。
量子電動(dòng)力學(xué)是在量子力學(xué)和相對(duì)論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它以“量子場(chǎng)”作為研究對(duì)象，這種學(xué)科也被稱為“量子場(chǎng)論”。簡(jiǎn)單說來，“量子場(chǎng)論”將一切物質(zhì)都視為量子化的場(chǎng)，比如，電子是量子化的電子場(chǎng)，光子是量子化的電磁場(chǎng)，而真空則是量子場(chǎng)的基態(tài)，相當(dāng)于數(shù)學(xué)上的“零點(diǎn)”。
在量子力學(xué)的時(shí)空里，粒子或量子場(chǎng)即使處于能量最低的基態(tài)，仍然會(huì)有一個(gè)無法被剝奪的能量，這個(gè)能量叫做零點(diǎn)能。由于零點(diǎn)能的存在，量子場(chǎng)將在時(shí)空中振動(dòng)，永遠(yuǎn)不會(huì)停下來。真空作為量子場(chǎng)的基態(tài)，其中沒有實(shí)體粒子，但仍存在著場(chǎng)的振動(dòng)，于極短的時(shí)間里會(huì)產(chǎn)生能量，然后迅速湮滅——這一現(xiàn)象叫做量子漲落。兩位美國(guó)物理學(xué)家曾經(jīng)分別通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子漲落。威利斯·蘭姆發(fā)現(xiàn)，電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，量子漲落可以引起電子能級(jí)產(chǎn)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(shù)觀察真空中運(yùn)動(dòng)的電子，發(fā)現(xiàn)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(tài)？美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼做了解釋。當(dāng)電子進(jìn)入真空時(shí)，它會(huì)發(fā)射和吸收虛光子。同時(shí)，與電子相互作用的虛光子還可以變成一對(duì)虛的正負(fù)電子，然后這對(duì)虛的正負(fù)電子又可以相互湮滅重新變成一個(gè)虛光子——這個(gè)更高階的過程被稱為真空極化。
所以，在量子電動(dòng)力學(xué)的世界中，電子看似在真空中運(yùn)動(dòng)，其實(shí)本質(zhì)上是在含有大量虛光子、虛的正負(fù)電子對(duì)的“海洋”中運(yùn)動(dòng)。其中虛的正負(fù)電子被稱為虛粒子，它們和虛光子一樣都是由量子漲落產(chǎn)生，因?yàn)樘摰恼?fù)電子對(duì)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生和湮滅，所以真空整體上不表現(xiàn)出帶電性。
昂貴的激光魔術(shù)
除了發(fā)現(xiàn)虛粒子，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)還可以得到一個(gè)很有吸引力的假說：如果電場(chǎng)足夠強(qiáng)，那么真空就可以“被打破”，虛粒子也能被觀測(cè)到。換句話說，虛粒子包括虛的正電子和虛的負(fù)電子，兩者會(huì)在因?yàn)榻佑|湮滅而無法被檢測(cè)到，但如果能制造出一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，虛的正負(fù)電子對(duì)就可以被分開，成為可以被探測(cè)到的真實(shí)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(dòng)力學(xué)理論家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者朱利安·施溫格的名字命名的。在該極限下，真空就會(huì)“無中生有”，檢測(cè)出許多虛粒子。如果要達(dá)到施溫格極限，需要用超大數(shù)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(gè)能量值是多少呢？它相當(dāng)于地球上所有發(fā)電廠提供能量的10億倍，并且還要將其輸入進(jìn)一個(gè)還沒有原子大的空間里。這聽起來不太現(xiàn)實(shí)，除非物理學(xué)家可以緩慢積攢能量然后通過密集光束一次性發(fā)射出去。
ELI項(xiàng)目的研究人員在工作中
在這種需求下，激光器就可以派上用場(chǎng)了。激光器內(nèi)部會(huì)通過一系列連鎖反應(yīng)制造出大量相同頻率的光子，當(dāng)這些光子以窄束發(fā)射出來時(shí)，其產(chǎn)生的能量能夠切割鋼鐵。但是，早期的激光強(qiáng)度是有限的，科學(xué)家也一直在尋找方法，可以保證高強(qiáng)度的激光不會(huì)過度損壞激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1985年，法國(guó)物理學(xué)家杰拉德·穆魯發(fā)明了一種放大激光的技術(shù)，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(nèi)部結(jié)構(gòu)的灼燒損傷，使激光器產(chǎn)生高能量激光。
在這之后，穆魯開始沖刺更高的目標(biāo)——制造出可以打破真空的超級(jí)激光器。2005年，穆魯領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)以建造超強(qiáng)激光器為目標(biāo)的科研項(xiàng)目——極端光設(shè)施計(jì)劃（簡(jiǎn)稱ELI項(xiàng)目）就于歐洲啟動(dòng)，很快，就有來自13個(gè)歐洲國(guó)家的40個(gè)實(shí)驗(yàn)室參與其中，這項(xiàng)計(jì)劃還得到了歐盟8.5億歐元的財(cái)政支持。如今，ELI項(xiàng)目有三個(gè)激光器站點(diǎn)，其中，位于羅馬尼亞布加勒斯特市附近的ELI原子核物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室擁有兩個(gè)1千萬億瓦級(jí)別的超級(jí)激光器，其強(qiáng)度可以達(dá)到全球最強(qiáng)激光器的水準(zhǔn)。
不過，ELI三個(gè)站點(diǎn)的激光器中還沒有一臺(tái)能夠單獨(dú)達(dá)到施溫格極限，即使將他們現(xiàn)有的激光器的能量強(qiáng)度提高10倍，與施溫格極限所需的能量強(qiáng)度相比仍然弱了1萬倍。所以，ELI的物理學(xué)家們還在努力提高激光器的強(qiáng)度并進(jìn)行測(cè)試。比如，他們?cè)岢鲆粋€(gè)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(zhǎng)就會(huì)被壓縮，使其聚集在一個(gè)更小的點(diǎn)上。這個(gè)點(diǎn)越小，激光所含的能量就越高。當(dāng)然，這個(gè)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(gè)方案的可行性較差，物理學(xué)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(diǎn)的激光強(qiáng)度可以變?yōu)橹暗膬杀痘蚋唷?/p>
除了ELI項(xiàng)目，美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯的激光物理學(xué)家也在積極朝著施溫格極限努力，動(dòng)輒投入數(shù)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。
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