無中生有的魔術 ——用雷射探索虛粒子

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，這裡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——真空中瀰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於某種媒介，「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」之後，物理學家用量子力學替代經典物理，描述微觀世界。埃爾溫·薛丁格提出的薛丁格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，那麼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，終於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，相當於數學上的「零點」。

在量子力學的時空裡，粒子或量子場即使處於能量最低的基態，仍然會有一個無法被剝奪的能量，這個能量叫做零點能。由於零點能的存在，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，於極短的時間裡會產生能量，然後迅速湮滅——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。

那麼，量子漲落如何影響了電子的狀態？美國物理學家理察·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，然後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。

昂貴的雷射魔術

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，那麼真空就可以「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，但如果能製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，這樣才能使後者獲得所需的能量。那麼這個能量值是多少呢？它相當於地球上所有發電廠提供能量的10億倍，並且還要將其輸入進一個還沒有原子大的空間裡。這聽起來不太現實，除非物理學家可以緩慢積攢能量然後通過密集光束一次性發射出去。

ELI項目的研究人員在工作中

在這種需求下，雷射器就可以派上用場了。雷射器內部會通過一系列連鎖反應製造出大量相同頻率的光子，當這些光子以窄束髮射出來時，其產生的能量能夠切割鋼鐵。但是，早期的雷射強度是有限的，科學家也一直在尋找方法，可以保證高強度的雷射不會過度損壞雷射器的內部結構。1985年，法國物理學家傑拉德·穆魯發明了一种放大雷射的技術，可以先展寬雷射脈衝，從而使脈衝減弱，然後再放大雷射。這樣就可以避免雷射器內部結構的灼燒損傷，使雷射器產生高能量雷射。

在這之後，穆魯開始衝刺更高的目標——製造出可以打破真空的超級雷射器。2005年，穆魯領導的一項以建造超強雷射器為目標的科研項目——極端光設施計劃（簡稱ELI項目）就於歐洲啟動，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項目有三個雷射器站點，其中，位於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雷射器，其強度可以達到全球最強雷射器的水準。

不過，ELI三個站點的雷射器中還沒有一臺能夠單獨達到施溫格極限，即使將他們現有的雷射器的能量強度提高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雷射器的強度並進行測試。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。如果雷射束在這面鏡子上反射，那麼雷射波長就會被壓縮，使其聚集在一個更小的點上。這個點越小，雷射所含的能量就越高。當然，這個方案中的鏡子並不是日常生活使用的鏡子，而是可以反射雷射的等離子體。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雷射束交叉，這樣交匯點的雷射強度可以變為之前的兩倍或更多。

除了ELI項目，美國、中國、俄羅斯的雷射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。