无中生有的魔术 ——用激光探索虚粒子
时间:2024-11-01 01:37:59 来源:贤淑少女网 作者:百科 阅读:853次
原标题:无中生有的无中魔术 ——用激光探索虚粒子 无中生有的魔术 ——用激光探索虚粒子 真空是否空无一物? 在遥远缥缈的太空中 ,有着许多虚无冷寂的生有术用空间,这里距离其他星辰都很远,激光没有一丝气体,探索甚至连一个原子也找不到。虚粒这些广阔空洞的无中区域被称为真空。 真空确实非常“空”,生有术用但物理学家始终怀疑,激光真空中是探索否真的空无一物 ? 在经典物理盛行的年代,物理学界曾流行着这样一种看法——真空中弥漫着一种特殊的虚粒物质
,叫做“以太”。无中根据经典电动力学 ,生有术用光是激光一种电磁波,电磁波在真空中以光速传播
,探索但波动的虚粒传输需要依赖于某种媒介
,“以太”便被用来充当这种媒介。 20世纪初,物理学迎来了两次伟大的变革——相对论和量子力学。爱因斯坦用狭义相对论证实,电磁场本身也是一种物质 ,而电磁波是这种物质的一种运动方式,它不需要依赖“以太”就可以在空间中传播。 在相对论推翻了“以太”之后,物理学家用量子力学替代经典物理
,描述微观世界
。埃尔温·薛定谔提出的薛定谔方程是量子力学的基本方程
,但这个方程没有考虑相对论效应
。保罗·狄拉克改进了这一点,他首次将相对论和量子力学协调在一起,提出了狄拉克方程。 狄拉克方程将得到一个非常有趣、也令人困惑的结果——世界上会存在大量看不见、摸不着的带有负能量的电子 ,而真空就是这种负能量电子聚集的“海洋” 。如果真空中充满了大量电子,那么人类为何从来没有感受到这些电子所带来的库仑力(即两个电荷之间的作用力) ? 量子涨落生产虚粒子 不过,在奇妙的量子世界中 ,一切皆有可能。在狄拉克方程的激励下,物理学家继续潜心研究了20年,终于找到了可以揭示真空奥秘的全新的量子理论 ,它就是量子电动力学。 量子电动力学是在量子力学和相对论的基础上发展而来的,它以“量子场”作为研究对象
,这种学科也被称为“量子场论”。简单说来,“量子场论”将一切物质都视为量子化的场,比如
,电子是量子化的电子场 ,光子是量子化的电磁场,而真空则是量子场的基态
,相当于数学上的“零点”。 在量子力学的时空里,粒子或量子场即使处于能量最低的基态,仍然会有一个无法被剥夺的能量
,这个能量叫做零点能。由于零点能的存在
,量子场将在时空中振动 ,永远不会停下来
。真空作为量子场的基态,其中没有实体粒子,但仍存在着场的振动,于极短的时间里会产生能量
,然后迅速湮灭——这一现象叫做量子涨落
。两位美国物理学家曾经分别通过实验证实了量子涨落。威利斯·兰姆发现 ,电子在真空中运动时
,量子涨落可以引起电子能级产生的微小变化
,这一变化被称为兰姆位移。波利卡普·库什用磁共振技术观察真空中运动的电子,发现量子涨落可以屏蔽电子的自旋 ,改变电子的磁矩
,被称为反常磁矩。 那么
,量子涨落如何影响了电子的状态?美国物理学家理查德·费曼做了解释 。当电子进入真空时,它会发射和吸收虚光子。同时,与电子相互作用的虚光子还可以变成一对虚的正负电子
,然后这对虚的正负电子又可以相互湮灭重新变成一个虚光子——这个更高阶的过程被称为真空极化。 所以,在量子电动力学的世界中 ,电子看似在真空中运动,其实本质上是在含有大量虚光子
、虚的正负电子对的“海洋”中运动。其中虚的正负电子被称为虚粒子
,它们和虚光子一样都是由量子涨落产生,因为虚的正负电子对会在极短的时间内产生和湮灭,所以真空整体上不表现出带电性。 昂贵的激光魔术 除了发现虚粒子 ,根据量子电动力学还可以得到一个很有吸引力的假说
:如果电场足够强 ,那么真空就可以“被打破” ,虚粒子也能被观测到。换句话说,虚粒子包括虚的正电子和虚的负电子,两者会在因为接触湮灭而无法被检测到,但如果能制造出一个强大的电场,虚的正负电子对就可以被分开,成为可以被探测到的真实的粒子。 这种情况需要的能量阈值被称作施温格极限
,它以另一位量子电动力学理论家 、诺贝尔物理学奖获得者朱利安·施温格的名字命名的
。在该极限下
,真空就会“无中生有”,检测出许多虚粒子 。如果要达到施温格极限 ,需要用超大数量的光子轰击虚粒子,这样才能使后者获得所需的能量。那么这个能量值是多少呢?它相当于地球上所有发电厂提供能量的10亿倍,并且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里 。这听起来不太现实,除非物理学家可以缓慢积攒能量然后通过密集光束一次性发射出去。 ELI项目的研究人员在工作中 在这种需求下,激光器就可以派上用场了。激光器内部会通过一系列连锁反应制造出大量相同频率的光子,当这些光子以窄束发射出来时,其产生的能量能够切割钢铁。但是,早期的激光强度是有限的,科学家也一直在寻找方法,可以保证高强度的激光不会过度损坏激光器的内部结构
。1985年,法国物理学家杰拉德·穆鲁发明了一种放大激光的技术,可以先展宽激光脉冲,从而使脉冲减弱,然后再放大激光
。这样就可以避免激光器内部结构的灼烧损伤,使激光器产生高能量激光。 在这之后
,穆鲁开始冲刺更高的目标——制造出可以打破真空的超级激光器
。2005年,穆鲁领导的一项以建造超强激光器为目标的科研项目——极端光设施计划(简称ELI项目)就于欧洲启动
,很快
,就有来自13个欧洲国家的40个实验室参与其中,这项计划还得到了欧盟8.5亿欧元的财政支持。如今,ELI项目有三个激光器站点,其中 ,位于罗马尼亚布加勒斯特市附近的ELI原子核物理学实验室拥有两个1千万亿瓦级别的超级激光器,其强度可以达到全球最强激光器的水准 。 不过,ELI三个站点的激光器中还没有一台能够单独达到施温格极限 ,即使将他们现有的激光器的能量强度提高10倍
,与施温格极限所需的能量强度相比仍然弱了1万倍。所以,ELI的物理学家们还在努力提高激光器的强度并进行测试。比如 ,他们曾提出一个新奇的方案 ,那就是使用一面以接近光速的速度飞行的镜子。如果激光束在这面镜子上反射 ,那么激光波长就会被压缩,使其聚集在一个更小的点上。这个点越小
,激光所含的能量就越高。当然,这个方案中的镜子并不是日常生活使用的镜子,而是可以反射激光的等离子体。只是这个方案的可行性较差,物理学家很难让这样一面“镜子”以光速飞行 。目前比较靠谱的方法仍然是让两束或更多束的激光束交叉
,这样交汇点的激光强度可以变为之前的两倍或更多。 除了ELI项目
,美国
、中国
、俄罗斯的激光物理学家也在积极朝着施温格极限努力,动辄投入数千万美元。穆鲁相信 ,人类不久就可以从真空中得到虚粒子,从而获取更多宇宙的秘密
。返回搜狐,查看更多 责任编辑
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