信息来源：https://scitechdaily.com/something-from-nothing-physicists-mimic-the-impossible-schwinger-effect/威海期货配资
当科幻小说中的物质复制器仍停留在想象阶段时，加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家们已经在实验室中成功模拟了\"无中生有\"的量子过程。他们利用超流氦薄膜创造出一个可控的微观宇宙，在其中重现了困扰理论物理学界长达七十多年的施温格效应——这一预言真空能够自发产生粒子对的神秘现象。
这项开创性研究的意义远超单纯的理论验证。通过将看似不可能实现的极端物理条件转化为可操控的实验环境，研究团队不仅为量子场论提供了前所未有的实验窗口，更为探索宇宙最基本运作机制开辟了全新路径。当超流氦中的涡旋对开始旋转时，它们实际上在重演着宇宙诞生初期可能发生的量子创生过程。
理论与现实的跨越
物理学家们长期以来一直好奇物质能否自发地从虚无中诞生，这一过程被称为施温格效应。尽管最初的想法需要极高的电场，但如今不列颠哥伦比亚大学的研究人员提出了一个令人瞩目的类似方案：利用超流氦薄膜在流动的“无摩擦真空”中产生涡旋对。图片来源：SciTechDaily.com
施温格效应的理论基础可以追溯到1951年，当时物理学家朱利安·施温格提出了一个看似荒诞的预测：在足够强的电场作用下，真空本身能够\"撕裂\"并产生电子-正电子对。这一理论建立在量子场论的深刻洞察之上——真空并非空无一物的虚无空间，而是充满不断涨落的量子场的动态系统。
然而，要验证这一效应需要的电场强度达到每米10^18伏特，这个数值超越了人类当前所有技术手段的极限。为了直观理解这一强度，可以想象将地球上所有发电站的输出功率集中在原子尺度的空间内——即便如此，仍然远远不够。正因为这种技术上的不可逾越性，施温格效应虽然被理论物理学界普遍接受，却始终停留在纸面推演阶段。
不列颠哥伦比亚大学的菲利普·斯坦普博士和迈克尔·德罗彻斯找到了绕过这一障碍的巧妙方案。他们意识到，如果将问题从电子-正电子对的产生转换为涡旋-反涡旋对的产生，从真空电场转换为超流体流动，那么原本不可能的实验就变得完全可行。
超流氦-4在接近绝对零度时展现出的特性堪称物理学奇迹。这种仅有几个原子层厚度的薄膜能够实现完全无摩擦的流动状态，为创造理想化的量子实验环境提供了完美平台。当研究人员在这种超流体中制造特定的流动模式时，系统会自发产生成对的涡旋结构，这些涡旋以相反方向旋转，在数学形式和物理机制上都与施温格效应中的粒子对产生过程完全对应。
质量之谜的意外发现
研究过程中最令人惊讶的发现并非来自预期的结果验证，而是源于一个基础假设的颠覆。传统理论中，物理学家通常将超流体涡旋的质量视为固定不变的参数，这一简化假设在过去几十年的研究中从未受到质疑。然而，斯坦普博士和德罗彻斯的精确计算揭示了一个革命性的现象：涡旋的有效质量会随着其运动状态发生显著而复杂的变化。
这一发现的震撼性在于它不仅改写了超流体物理学的基础理论，还可能对整个量子力学的理解产生深远影响。德罗彻斯解释：\"了解质量如何变化以及为何变化，以及这会如何影响我们对物理学、化学和生物学中普遍存在的量子隧穿过程的理解，这令人兴奋。\"
更加引人深思的是，这一质量变化现象可能具有普遍性。斯坦普博士推测，如果超流体中的涡旋质量会发生动态变化，那么原始施温格效应中的电子-正电子对也可能存在类似的质量演化特性。这种被他幽默地称为\"模拟的报复\"的现象——通过研究模拟系统反过来修正原始理论——体现了现代科学研究中理论与实验相互促进的精神。
这种质量变化机制的发现还为理解早期宇宙的演化开启了新的视角。在宇宙大爆炸后的极早期阶段，基本粒子的质量特性可能经历了类似的动态过程，这种过程可能对宇宙结构的形成和物理定律的确立产生了根本性影响。
宇宙实验室的广阔前景
斯坦普博士强调，这项研究的价值远远超越了对施温格效应的简单模拟。氦-4薄膜系统实际上构建了一个微型的\"宇宙实验室\"，能够重现多种在自然界中难以直接观测的极端物理现象。从深空真空的量子涨落到黑洞附近的时空扭曲，从宇宙诞生初期的相变过程到暗物质的可能行为模式，这些原本只能通过理论推演探索的现象现在都有了实验研究的可能性。
然而，研究团队更加重视这一工作的独立价值。\"这些本身就是真实的物理系统，而不是模拟物。我们可以用它们做实验，\"斯坦普博士强调。这种观点突出了超流体物理学研究的自主意义——它不仅是宇宙现象的地面版本，更是具有独特物理特性和研究价值的系统。
这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究为二维量子系统的相变理解带来了革命性改变。通过系统研究超流氦中涡旋对的产生、演化和相互作用，科学家们能够深入理解量子相变的微观机制，这对于开发下一代量子材料和量子技术具有不可估量的价值。
研究团队已经制定了详细的实验验证计划，并探索将这一技术应用于其他量子系统的可能性。如果后续实验成功，将为量子场论、凝聚态物理学、宇宙学和量子信息科学的交叉研究开辟崭新方向，可能催生对自然界基本规律的更深层理解。
这项获得加拿大国家科学与工程研究委员会支持的研究，代表了21世纪物理学创新思维的典型范例，展示了如何通过巧妙的概念转换和精密的实验设计，将看似不可能触及的理论预测转化为可验证、可探索的科学现实。
上阳网配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。
相关文章
热点资讯
