随某些被从什么都没创造的东西70年老的量子预测成真

在我们共同的体验中，你不能对什么都没有获得某些东西。在量子领域中，某些东西真的能从什么都没有浮现。

STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 13, 2022

Ethan Siegel

在理论中施温格尔效应声明在足够强的电场存在下，（带电）粒子和它们的反粒子对手将被从空的空间本身量子真空撕裂来变成真实的。被朱利安·施温格尔（Julian Schwinger）于1951年理论化，这个预测首次在一个用量子模拟系统的桌面实验中被验证。(Credit: Matteo Ceccanti and Simone Cassandra)

关键要点

在宇宙中有各种各样的守恒定律：对能量、动量、电荷等等。所有物理系统的许多属性被守恒：在那里东西不能被创造或消灭。

我们已经了解了怎样在特定的、明确的条件下来创造物质：通过在足够高的能量一起碰撞两个量子以便相同量的物质和反物质能浮现，只要E=mc²允许它来发生。

首次，我们已经设法来创造毕竟没有任何碰撞或前体的粒子：通过强电磁场和施温格而效应。这里是怎样的。

从来说过“你不能从什么都没有得到某些东西”的人一定永远没有学过量子物理。只要你有空的空间------物理上空无性的终极------只是设法以正确的方式操纵它将不可避免的造成某些东西来浮现。在空的空间的深渊中碰撞两个粒子，有时额外的粒子-反粒子对浮现。取一个M介子并试着从反夸克把夸克撕掉，一组新的粒子-反粒子对将被从它们之间的空的空间中拉出。理论上，一个足够强的电磁场能从真空本身撕裂出粒子和反粒子，甚至毕竟没有任何初始粒子或反粒子。

以前，人们认为了所有的最高能量的粒子会被需要来产生这些效应：这种在高能粒子物理实验或在极端的天体物理环境中仅可获得的。但在2022年初，利用石墨烯的独特属性，在一个简单的实验室设置中足够强的电场被创造，使毕竟从什么都没有自发的创造粒子-反粒子对成为可能。这应该是可能的预测已经70年老了：追溯回到量子场论的创始人之一：朱利安·施温格尔。施温格而效应现被证实，并教我们这个宇宙怎样真正从什么都没有制造某些东西。

这张粒子和相互作用的图表详细描述标准模型中的粒子怎样按照量子场论描述的三个基本力相互作用。当引力被添加到这个混合时，我们得到我们看到的可观测的宇宙，以及我们知道规制它的定律、参数和常数。如暗物质和暗能量的秘密仍然的。(Credit: Contemporary Physics Education Project/DOE/SNF/LBNL)

在我们居住的宇宙中，真的不可能以任何令人满意的方式来创造“什么都没有”。一切存在的下到基本层面上都能被分解成单个的实体------量子------不能被进一步分解。这些基本粒子包括夸克、电子、电子的更重表亲（μ介子和τ）、中微子、以及所有它们的反物质对应物、加上光子、胶子和重玻色子：W+、W-、Z0和希格斯粒子。然而，如果你把它们都拿走，剩下的“空的空间”在许多物理意义上相当不是空的。

对一个，甚至在粒子不存在中，量子场仍然。正如我们不能把物理定律从宇宙拿走一样，我们不能从宇宙拿走渗透这个宇宙的量子场。

对另一个，不管我们把任何物质源移多远，有两种远程力，它的效应仍然：电磁学和引力。虽然我们能做出聪明的设置，确保在一个区域中的电磁场强度为零，但我们不能对引力做这个；在这方面在任何真正意义上空间不能被“完全的清空的”。

不是一个空的、空白的三维网格，而是放上一个质量造成一直是“直线”的线反而被一个特定的量变弯曲的。无论你离一个点质量有多远，空间的曲率永远不会达到零，但总是仍然的，甚至在无限的范围。(Credit: Christopher Vitale of Networkologies and the Pratt Institute)

但甚至对电磁力------即便你彻底在一个空间区域内零出电场和磁场------有一个实验你能进行来证明空的空间并不是真的空的。即便你创造一个完美的真空，没有所有类型的粒子和反粒子，在那里电场和磁场为零，在这个物理学家从物理角度可能叫 “最大的空无性”的区域中清楚的存在有东西。

你所需要做的是在这个空间区域内放置一组平行的导电板。虽然你可能会期望它们之间体验的唯一力是引力，由它们相互的引力吸引决定，但实际上最终发生的是板被一个比引力预测的远大的量吸引。

这种物理现象被称为卡西米尔效应，并被史蒂夫·拉莫雷在1996年证明是真实的：在它被亨德里克·卡西米尔计算并提出48年后。

卡西米尔效应，在这里描述两个平行导电板，排除了某些来自到点半内部的电磁模式，同时许可它们在板之外。因此，板吸引，就像被卡西米尔在20世纪40年代预测的那样并在90年代被拉莫雷证实。(Credit: Emok/Wikimedia Commons)

同样在1951年已经是描述电子和电磁力的量子场论的联合创始人的朱利安·施温格尔给出了一个完整的物质怎样可能被从什么都没有创造的理论描述：只是被施加一个强电场。尽管其他人早在20世纪30年代已经提出了这个想法，包括弗里茨·索特、沃纳·海森堡和汉斯·欧拉，但施温格尔他自己做了繁重的提升到在什么条件下这种效应浮现的精确量化，此后它已经被主要称为施温格尔效应。

通常情况下，我们期望在空的空间中有量子波动：任何的激发和所有量子场可能存在。海森堡测不准原理规定某些量不能被以到任意精度的串联知道，这包括像这样的东西：

能量和时间，

位置和动量，

方向和角动量，

电压和自由电荷，

以及电场和电偏振密度。

虽然我们通常仅按前两个实体表示不确定性原理，但其他应用能有同样深远的后果。

这张图描画位置和动量之间固有的不确定性关系。当一个被更准确地知道时，另一个固有的就不太可能被准确的知道。每次你准确地测量一个，你确保在对应的补充量中一个更大的不确定性。(Credit: Maschen/Wikimedia Commons)

回想对任何存在的力，我们能按一个场来描述这个力：在那里被一个粒子体验的力是它的电荷乘以这个场的某些属性。如果一个粒子穿过一个场是非零的空间区域，它能体验一个力，这取决于它的电荷和（有时）它的运动。场越强，力越大，场越强，在特定空间区域存在的“场能量”就越大。

甚至在纯空的空间中，甚至在没有外部场中，在任何这样的空间区域中仍然将存在某些非零量的场能量。如果到处都是量子场，那么根据海森堡的不确定原理，对我们选择来测量这个区域完的任何时间，在这段时间内该区域内将有一个内在的不确定的能量存在。

我们正在观察的时间越短，该区域内能量的量中不确定性就越大。将这个应用到所有允许的量子态，我们能开始可视化这个波动的场，以及波动的由于宇宙所有的量子力蹦入和蹦出存在的粒子-反粒子对。

甚至在没有质量、没有电荷、没有弯曲空间和任何外部场的空的空间的真空中，自然定律和支撑它们的量子场仍然存在。如果你计算最低能量状态，你可能会发现它不刚好是零；宇宙的零点（或真空）能量似乎是正的和有限的，尽管很小。(Credit: Derek Leinweber)

现在，让我们想象折腾起这个电场。折腾它越来越高，然后将发生什么呢？

让我们先举一个更容易的例子，想象已经存在一种特定类型的粒子：一个M介子。一个M介子由一个夸克和一个反夸克组成，通过强力和胶子的交换彼此连接。夸克以六种不同风味而来：上、下、奇、魅、底和顶，而反夸克只是它们各自的反版本，有相反的电荷。

一个M介子内的夸克-反夸克对有时对彼此有相反的电荷：要么+和-（对上、魅和顶）要么+和-（对下、奇和底）。如果你对这样一个M介子施加一个电场，带正电的端和带负电的端将被拉向相反的方向。如果场强足够大，就有可能将夸克和反夸克从彼此充分的拉掉以便新的粒子-反粒子对被从它们之间的空的空间中撕裂出来。当这个发生时，我们最终有两个M介子而不是一个和要求出自首位撕裂开M介子来创造这个额外质量（经由E=mc²）的能量。

当一个M介子比如这里所示的魅-反魅粒子，让它的两个组成粒子被太大一个量拉分开时，它能量上变得有利于从真空中撕裂出一个新的（轻）夸克/反夸克对并在之前有一个的地方创造两个M介子。一个足够长的电场，对足够长寿的M介子能造成这个来发生，所需的创造更大质量的粒子的能量来自支撑的电场。(Credit: The Particle Adventure/LBNL/Particle Data Group)

现在，在我们的思维中所有这些为背景，让我们想象我们已经得到一个非常非常强的电场：比我们在地球上从来希望制造的任何东西都更强。某些如此强大以致就像取一个全电荷库仑——大约10＾19电子和质子——的东西并将它们每一个压缩成一个小球，一个纯正电荷和一个纯负电荷，把它们分开仅一米。在这个空间区域的量子真空将被极强烈的偏振。

强偏振意味着一个正、负电荷之间的强分离。如果你的电场在一个空间的区域内足够强，那么当你创建一个所有最轻的带电离子（电子和正电子）的虚拟粒子-反粒子对时你有一个有限的这些对被足够大的量隔开的概率，由于来自场的力它们能不再彼此湮灭。相反，它们变成真正的粒子，从支撑的电场窃取能量来保持能量守恒。

因此，新的粒子-反粒子出来存在，所需的由E = mc²来制造它们的能量被这个外部电场强度降低适当的量。

如这里所描画的，因为海森堡的不确定性的结果，粒子-反粒子对通常蹦出量子真空。然而，在一个足够强的电场存在下，这些对能被以相反方向撕分开，造成它们不能够重新湮灭，迫使它们变成真实的：以牺牲来自支撑的电场的能量为代价。(Credit: Derek B. Leinweber)

这就是施温格尔效应，不出所料，它从未被在一个实验室设定中观察到过。事实上，它被理论上发生的地方是在宇宙中存在的、最高能量的天体物理区域中：在黑洞和中子星周围（甚至内部）的环境中。但在把我们与甚至最近的黑洞和中子星之间分开的巨大宇宙距离上甚至这仍然是一个猜想。我们已经在地球上创造的最强的电场是激光设备，甚至用最短的脉冲时间的最强、最猛烈的激光，我们仍旧甚至还没有接近。

通常情况下，每当你有一种导电物质，它的“价电子”是自由来移动的，贡献到传导。然而，如果你能取得足够大的电场，你就可以让所有的电子加入这个流。2022年1月，曼彻斯特大学的研究人员利用一种复杂而聪明的涉及石墨烯的设置------一种令人难以置信的强构成的碳原子一起被以几何上的最佳状态结合------用相对较小的、实验可获得的磁场来取得这一属性。在这样做中，他们也见证施温格尔效应在行动：在这个量子系统中产生类似的电子-正电子对。

石墨烯有许多迷人的属性，但其中之一是一种独特的电子能带结构。有导带和价带，它们能与零带隙重叠，使空穴和电子都能浮现和流动。(Credit: K. Kumar and B. C. Yadav, Advanced Science, Engineering and Medicine, 2018)

石墨烯以很多方式都是一种奇特的物质，其中之一是它的薄片能有效地作为一个二维结构行为。通过减少（有效）维度的数量，三维材料中存在的许多自由度被拿掉，在内部对量子粒子留下远更少的选择，也减少可供它们占据的量子态集。

利用一种基于石墨烯结构叫一个超晶格的------在那里多层物质创建周期性结构------本研究的作者施加了一个电场并诱导了上述行为：在那里电子作为这种材料的传导不只从最高的部分占据能量状态流，而且在那里电子也从更低，完全充满的带加入这个流。

一旦这个发生，在这些材料中许多异域的行为发生了，但从来第一次被看到的一种行为：施温格尔效应。不是产生电子和正电子，而是它产生了电子和类似于正电子的凝聚态物质：空穴，在那里在一个晶格中“缺失”的电子以与电子流相反的方向流动。来解释观察到的电流的唯一方法是用这个自发的电子和“空穴”的产生的额外过程，而这个过程的细节与施温格尔回到1951年预测的一致。

原子和分子结构以几乎无限数量的可能组合而来，但在任何材料中发现的特定组合决定它的属性。石墨烯是这里展示的一种单原子的物质片，是人类已知的最坚硬的物质，在成对的页片中，它能创造一种被称为一个超晶格的材料，有许多复杂和反直觉的属性。(Credit: Max Pixel)

有很多研究宇宙的方法，量子模拟系统------在那里描述否则不可获得的物理体系的同一数学应用到一个能被在实验室中创建和研究的系统------是一些我们拥有的奇异物理学最强大的探测。很难预见施温格尔效应怎样可以以它的纯形式被测试，但由于石墨烯的极端属特，包括它的来承受壮观大的电场和电流，它第一次以任何形式发生了：在这个特殊的量子系统中。正如合著者罗山·克里希纳·库马尔博士所言：

     “当我们第一次看到我们的超晶格装置的壮观特性时，我们想‘哇……这可能是某种新的超导性’。尽管这种反应与在超导体中常规观察到的反应非常相似，但我们很快发现了令人困惑的行为不是超导性，而是天体物理学和粒子物理学领域中的东西。来看遥远的学科之间的这种相似之处是好奇的” 。

电子和正电子（或“空穴”）被字面上从什么都没有创造出来，刚好被电场本身从量子真空撕裂出来，这又是宇宙展示看似不可能的另一种方式：我们真的能从绝对的什么都没有制造某些东西！

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/something-from-nothing/