天文学家首次观测到太空中的量子扭曲

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2016-12-19 09:59

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真空双折射是一个古怪的量子现象，到目前为止它只在原子级层面被观察到过。这种现象仅产生于中子星被非常强烈的磁场包围的情况下，此时它周围会产生出一片特殊的区域，在这片区域中物质会随机出现消失。

在1930年代，物理学家Werner Heisenberg和Hans Heinrich Euler在推导量子电动力学（QED）时，预测了光在强磁场下的真空中传播时的偏振现象。而QED是一种描述了光和物质如何相互作用的理论。

现在，这个奇怪的量子效应第一次被来自意大利国家天体物理研究所（INAF）和波兰绿山城大学（University of Zielona Gora）的科学家发现。

在欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）帮助下，Roberto MIgnani领导的一支研究团队观察了一颗距离地球400光年的中子星RXJ1856.5-375。

这颗中子星很暗，但它却有我们太阳10倍的质量。正因为如此，它产生的极强磁场会穿透其表面和周遭空间。

真空本该空无一物（至少爱因斯坦和牛顿都这么说），光可以不受限地穿越真空而不会改变。根据QED理论，太空中充满了不断出现又消失的虚拟粒子。就像中子星周围的强磁场环境其实是可以把太空改造为完全真空的状态。

VLT上的FORS2设备使研究人员得以用可见光观察这颗中子星，这拓展了现有的天文望远镜的观测能力。

通过对VLT数据的分析，研究人员看到有16%的光表现出了线性偏振，“幕后黑手”很可能就是这颗RXJ1856.5-375周围的真空双折射效应。

Mignani说：“我们用VLT观测到的如此高的线性偏振度，是不能被现有模型解释的，除非把QED的真空双折射效应考虑进来。”

Mignani认为，现在的观测技术还十分有限，他相信未来会出现更灵敏的探测器，科学家可以用它们在其它中子星表面研究更多的奇异量子效应。“我们将用下一代望远镜，比如欧洲天文台的欧洲超大望远镜（EELT）进行偏振测量，在其它中子星上进行这种测量是检验QED的真空双折射预言的关键一步，”