真空不空，无中生有

你绝对想象不到，科学家们已经成功在实验室里实现了“无中生有”。从看似空无一物的真空中创造出了真实的物质。 这听起来像魔法，但却是量子物理学的真实突破。虚粒子变真实物质，颠覆人类认知还藏宇宙起源密码

2026年2月发表在《自然》杂志上的研究首次直接证实，量子真空中的虚粒子可以通过高能对撞转化为可探测的实体粒子。 布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）完成了一场微观世界的“创世仪式”。

这项发现颠覆了我们以往对“真空”的认知。 过去人们认为真空就是真正的空无一物，但量子力学告诉我们，真空其实是一片沸腾的“能量海洋”。

根据海森堡不确定性原理，真空中会不断产生虚粒子对，它们瞬间出现又瞬间消失。 这些虚粒子像幽灵一样存在，虽然无法直接观测，但通过它们对周围环境的影响可以证实其存在。

实验的关键在于科学家们选择的粒子类型。 研究团队聚焦于一种名为Λ超子（Lambda hyperon）的粒子及其反物质对应物，反Λ粒子。

这些粒子包含“奇异夸克”，而真空涨落中产生的虚夸克对具有独特的自旋关联特性。 当科学家们分析数百万次质子对撞数据后，发现当Λ超子和反Λ超子彼此靠近产生时，它们的自旋方向表现出100%的关联性。

这种自旋关联成为了判定粒子来源的决定性证据。 在普通核反应中，粒子自旋方向通常是随机的，而实验观测到的高度相关性表明这些粒子确实起源于同一个量子态，也就是真空中的虚夸克对。 STAR合作组的涂周敦明博士表示：“这是第一次我们能够直接看到，构成这些粒子的夸克是来自真空的”。

实验过程中，科学家们让质子在RHIC中对撞，通过极高能量的撞击为真空提供强大的能量输入。 这就像在沸腾的水面上加了一把火，让那些原本转瞬即逝的虚粒子获得足够能量，从而“赖着不走”变成可探测的真实粒子。

实验数据显示，当Λ粒子和反Λ粒子产生后彼此距离较远时，这种自旋关联就会消失，这表明环境干扰会破坏这种量子纠缠。

中国科研力量在这项国际研究中扮演了至关重要的角色。 中国科学院近代物理研究所、清华大学、北京大学、山东大学等机构长期参与RHIC实验，在探测器升级维护和数据分析方面都做出了重要贡献。

位于广东东莞的中国散裂中子源（CSNS）和兰州的重离子加速器国家实验室（HIRFL）也为相关研究提供了技术支持。

量子真空概念的历史可以追溯到1930年，当时物理学家狄拉克提出真空是充满了负能态的电子海。 从现代量子场论的观点看，每一种粒子都对应一种量子场，真空就是所有量子场处于基态的状态。 当量子场被激发时，就会产生对应的粒子。

宇宙学粒子产生现象最早在1970年由物理学家L. Parker开展奠基性研究。 他发现在膨胀的宇宙中，时空结构本身的拉伸会导致虚粒子对被拉开距离，从而使它们无法相互湮灭，最终变成实粒子。 类似的机制也发生在黑洞边界处，这就是霍金辐射的产生原理。

2019年，科学家通过铅离子对撞实验首次观测到布雷特-惠勒过程，即两个高能光子碰撞转化为电子-正电子对。 这一过程直接验证了爱因斯坦的质能方程E=mc。 2021年，RHIC-STAR实验还验证了真空双折射效应，发现强磁场下真空会使线偏振光分裂为圆偏振光。

关于量子真空的研究还揭示了宇宙大爆炸的量子起源。 现代宇宙学认为，宇宙可能起源于真空量子涨落，早期宇宙的极高温高能环境使量子涨落被放大，最终形成基本粒子和物质。 科学家通过保辛变换这一数学工具来描述宇宙学粒子产生现象。

量子真空相互作用的深入研究还带动了技术应用的探索。 实验发现，如果Λ超子对产生后距离较远，它们的自旋关联就会消失，这说明环境干扰会破坏量子纠缠。 这一现象为量子信息科学研究提供了新思路，特别是在如何保护量子比特不受环境干扰方面具有重要启示。

真空零点场蕴含着巨大的能量密度，物理学家J·惠勒估计其密度达到1094克/立方厘米，这个数字比已知宇宙所有物质的能量密度还要高。 与之相比，原子核的能量密度仅为1013克/立方厘米。 如果真空零点场的能量是普通的正能量，根据爱因斯坦的质能公式，宇宙将会立即坍缩成极小的体积。

中国科学家正在积极规划未来的大科学装置，关于电子-离子对撞机（EIC）的讨论和预研也在进行中。 这类装置将帮助科学家更精细地扫描质子内部，进一步解开质量起源和物质从虚无中涌现的谜题。 研究人员将能像观察“量子双胞胎”一样，通过不同的原子核环境来观察虚夸克对的演化过程。

量子真空的研究不仅改变了我们对物质起源的认识，也为理解宇宙最基本的问题提供了新视角。 从虚粒子对的瞬间产生到真实粒子的诞生，这一过程连接了量子力学、广义相对论和宇宙学等多个物理学期前沿领域。 科学家们通过实验证据不断丰富着对人类认知边界的探索。