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中子星观测证明科学家80年前预言的量子效应

时间: 2016年12月28日 | 作者: Calla Cofield | 来源: SPACE.com
科学家在观测中子星时,又找到了一个证明“真空不空”的证据

 

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【图注】具有强磁场的中子星会发射出偏振光,这表明其周围的真空中发生了“真空双折射”的量子效应。图片来源:ESO, L. Calçada

 

研究者可能终于在自然界中发现了80多年前物理学家预言的一个奇异量子现象。

 

1930年,物理学家Werner Heisenberg和Hans Heinrich Euler预,非常强的磁场能改变真空中光的偏振现象(即改变光的电场和磁场方向)。他们将这种效应称之为“真空双折射”,而这个结论并非是基于经典物理学得到的

 

近日,科学家宣称,他们借助欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜(VLT)观测到一颗中子星的光具有“真空双折射”效应,而且这个中子星具备强磁场属性。

 

中子星是宇宙中最致密的天体,以它当原材料做的勺子在地球上将重达9亿吨。一颗“常规”的恒星,比如太阳,其核心就像发动机一样,提供能量恒星支撑起来。但是当发动机熄火之后,构成恒星的物质可能会坍缩到非常小,形成中子星。

 

根据ESO的声明,这项新研究的观测对象是距地球约400光年的中子星RX J1856.5-3754。尽管它是已知的距地球最近的中子星之一,但它还是非常暗弱,它的可见光波段只能由VLT上的2号缩焦器低色散分光仪(FORS2)探测到,这是“当前望远镜技术的极限”。

 

意大利帕多瓦大学(the University of Padua)科学家,研究的合作者之一Roberto Turolla在声明中还说,真空双折射“只能在存在强磁场的情况下观测到,比如中子星周围”。

 

声明还指出,FORS2探测到的光呈现“显著”的线性偏振(“大约16%”),它很可能是中子星周围发生了真空双折射的增强效应所造成的。

 

在经典物理学中,真空是完全空的,而在量子力学中,有一种“虚粒子”能在真空中不断出现和消失。Heisenberg和Euler使用量子电动力学(QED)理论来揭示真空中的量子特性如何影响光波。

 

意大利国家天体物理研究所、波兰绿山大学(the University of Zielona Gorá)科学家,也是研究的第一作者Roberto Mignani说:“我们的模型结果说明,VLT测得的高线性偏振很可能是由于QED预测的双折射效应导致的。”

 

Mignani说:“根据QED理论,真空中的强磁场会像棱镜一样改变光路。”(光经过一个真的棱镜会发生偏折,并会显示出不同波长、或者说是不同颜色的光,这也就是阳光经过棱镜会产生彩虹的原因。)

 

作者补充道,更灵敏的新一代望远镜将更好地进行观测,从而验证真空双折射理论。未来他们还将观测其他波段的偏振现象,比如X射线。

 

翻译:王泽宇

审校:胡砚泊

 

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/neutron-star-may-display-first-evidence-of-80-year-old-quantum-prediction/

 

 

 


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