一颗中子星是否证实了80年前的量子预言？
Monica Young
译自SkyandTelescope.com，2016年12月7日
数十年来，科学家都希望能够证实一个最早于1936年被预言的奇异量子效应。他们有没有最终找到它的坚实证据？
这张艺术概念图描绘了强磁场中子星（左侧）表面发出的光线在抵达地球上的观测者（右侧）途中，在穿过星体附近的真空时是如何被线性起偏的。光波的磁场和电场的方向分别用红色和蓝色线条表示。来自意大利帕多瓦（Padua）大学的罗伯托·塔韦尔纳（Roberto Taverna）以及英国UCL/MSS的冈萨雷斯·卡纽列夫（Gonzalez Caniulef）进行的模拟说明了当光线穿过中子星周围的磁化真空时，电磁场会以怎样的方式沿特定的方向排列。当磁场有序排列后，光线出现了偏振特性，而这样的偏振可以借助地球上灵敏的仪器探测到。（图片提供：ESO/L. Calçada）
一个国际科研团队称，对300光年外一颗中子星的观测给出了证据，说明存在从虚空跃入又消失的虚拟亚原子粒子。这一发现将证实80年前的一个基本量子理论预言，它描述的是极小粒子的奇异世界。但并非所有人都确信科学家找到了确凿的线索。
当保罗·狄拉克写下了量子电动力学（QED）的公式时，他正在构建物理学的一大基本理论，它勾勒出了我们对亚原子粒子的了解。这一理论从数学上非常成功地描述了光线与物质的相互作用，以及带电粒子的彼此作用情况。
很快，QED的两大推论变得显而易见。1928年提出的第一条推论是，每种粒子都有反粒子伴侣，也就是存在质量相同但电荷相反的粒子。物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在此后4年发现了电子的反粒子——正电子，这是一项获得诺贝尔奖的成就。
QED的第二条推论是，真空本身充满了临时性的粒子。由于量子世界不确定的本性，亚原子粒子与反粒子会自发出现又消失。它们经由海森堡的不确定原理“借用”了能量，不过只能持续（很）有限的时间。1936年，物理学家得出了结论，认为这些只能存在远远不到一秒的所谓虚粒子可以对光线产生真实可测的影响，会像LCD显示器中的液晶那样改变光线的偏振。这一量子效应叫做真空双折射。
虽然真空双折射很难被直接证实，物理学家却通常认为它是真实存在的。来自加拿大不列颠哥伦比亚大学的杰里米·海尔（Jeremy Heyl）说：“假设（真空双折射）并不存在。然后从根本上说你就要重构一切了，原因是这种现象是QED非常基本的推论。”
作为宇宙实验室的中子星
直接测量真空双折射需要极强的磁场和灵敏度，在当前的实验室中是无法实现的。但是自然为我们提供了宇宙实验室——中子星。这种被挤小的星骸带有强劲的磁场，可以将真空双折射效应增强到足以测量的程度。
因此来自意大利米兰国家天体物理研究所的以及波兰杰隆纳·古拉（Zielona Góra）大学的罗伯托·米尼亚尼（Roberto Mignani）与同事使用智利的甚大望远镜对邻近的明亮中子星RX J1856.5-3754进行了观测。
这张宽视场图像展示了暗淡的中子星RX J1856.5-3754周围的天区，这里位于南天的南冕座。（图片提供：ESO/Digitized Sky Survey 2；特别感谢：Davide De Martin）
从本质上说，这颗中子星是一颗赤裸的星骸，其炽热的表面发出光芒。星体强大的磁场让星光起偏，但由于在地球的天空中它只是一个小光点，当来自星体各处的混合辐射抵达地球时，偏振成分已经彼此抵消掉了。这颗中子星的辐射偏振度理应是0%。
但是米尼亚尼与同事观测的结果是，星光的偏振度介于11%到21%之间，算是比较高了。
实际上，研究者在2月11日出版的《皇家天文学会月刊》杂志上称，星光中的偏振成分比例足够高，这说明起作用的是真空双折射。海尔同意这一观点。
但是像宾夕法尼亚州立大学的乔治·巴甫洛夫（George Pavlov）指出的那样，这个结论并非一目了然。我们并不知道这颗中子星相对地球的指向，也就是说，它究竟是侧向我们旋转还是只将一极对准地球*。这一指向决定了辐射的原始（未经双折射）偏折是否可以完全抵消。如果我们径直看到了中子星的磁极，那么我们可以看到从四向发射而出的磁力线，光线被赋予的所有偏振特性都会抵消掉。但是他提醒说，如果我们看到的是中子星的磁赤道，那么哪怕没有额外的双折射效应，我们也可以看到最高可达20%的偏振成分。
孤立中子星RX J1856.5-3754以及成协的锥状星云周围天区的合成图。中子星正好位于上图正中。视场中间断的蓝色、绿色和红色线条是一颗小行星留下的尾迹。（图片提供：ESO）
巴甫洛夫说：“论文作者测量到的偏振度……确实很高。”而且他同意，这一结果与QED效应相符。“但是如果这并非证明了他们已经在观测上发现了真空双折射，原因是毋须真空双折射，我们也可以拥有如此高的偏振度。”
跃进高能
真空双折射真正的明显证据可能是来自X射线而非可见光偏振观测的。中子星表面温度极高，虽然确实会发出一些可见光，但大多数辐射都是在X射线能段发出的。因此在真空双折射确实影响可见光的同时，还会在更大程度上影响X射线。
今后若干年内极有可能有X射线偏振计发射。当前有3个任务概念正在研究中，它们分别是欧洲空间局的X射线成像偏振探测器（XIPE）、NASA的成像X射线偏振计探索者（IXPE，是的，前两者的缩写几乎一样），还有NASA的另一个概念——相对论性X射线源偏振测量（PRAXYS）。如果其中的任何一个计划中选，都会在下一个10年之初发射升空。
海尔预计：“我们很快就会验证（米尼亚尼与同事）在光学波段看到的这种QED现象了。但是现在，我们首先可以使用测量到的偏振来详细研究磁场的结构了。”这一效应不仅可以用于详尽探索中子星的表面，还可以用来分析黑洞周边的环境。
* 有趣的事实：中子星的强引力场会让表面发出的光线弯折。因此当观测中子星时，你可以一次性看到来自超过整个半球的光线——你还会看到背对你的那部分表面发出的一些光线。
