真空真是“空”的嗎？一顆磁星驗證90年量子預言

真空真的是“空”的嗎？科學家們其實早有定論，那裏存在着熱鬧的量子漲落。那它有什麼觀測證據呢？

2026 年8月，發表在《自然》雜誌上的一項重磅研究，給出了一個有趣佐證：科學家們利用宇宙中的天然極端磁場——磁星，對真空中光的傳播方式的影響，印證了這一重要現象。

真空不“空”

我們通常把真空理解爲什麼都沒有：沒有空氣，沒有原子，也沒有任何物質。但量子電動力學給出的圖景完全不同。即使把所有真實粒子都拿走，量子場仍然存在漲落。通俗地說，真空中會不斷出現電子—正電子這樣的虛粒子對，又在極短時間內湮滅。

上世紀30年代，維爾納·海森堡和漢斯·歐拉進一步發現：如果外界存在極強磁場，這些原本幾乎不留下痕跡的真空漲落，會表現出明顯的方向性。你可以把它想象成，量子漲落產生的雜亂無章的正負電子對，被磁場“排出了方向”。結果是，真空開始擁有類似物質的光學性質。也就是說，量子場的漲落會影響光的傳播，這被稱爲“真空雙折射”。

但是，理論寫出來並不等於實驗能做。真空雙折射極其微弱，要把它放大到現代技術可觀測的程度，需要一個強得近乎離譜的磁場。地球實驗室能夠製造的強磁場，距離這個尺度仍差很多。於是物理學家只能把實驗室搬到宇宙。

宇宙中恰好存在一種極端天體——磁星。它本質上是一顆具有超強磁場的中子星：直徑只有二三十公里，質量卻可以超過太陽，表面磁場能夠達到地球磁場的一萬億倍左右。這樣的天體，等於天然提供了人類無法建造的“量子真空實驗裝置”。

磁星藝術想象圖。丨NASA / Pablo Garcia

驗證量子漲落

磁星究竟如何檢驗量子真空呢？這裏，我們要先釐清兩個概念：偏振和雙折射。

光是一種電磁波。所謂偏振，可以簡單理解爲光的電場在什麼方向上振動。如果電場方向比較雜亂，就沒有明顯的線偏振；如果主要沿一個固定方向振動，我們就說它具有線偏振。

很多人會想到偏振片。對於一束光，偏振片就像一道柵欄：它允許某一方向的偏振分量通過，把另一個方向削弱或擋掉。可以看出，它主要改變的是兩個偏振分量的振幅。

雙折射則不同。最典型的材料是方解石。光進入方解石後，可以分解成兩個相互垂直的偏振本徵模式，而晶體對這兩個模式的折射率不同。換句話說，兩種偏振都能通過，但它們在同一塊晶體裏“跑得不一樣快”。傳播一段距離後，兩者積累出不同的相位，重新疊加時，原來的偏振狀態就會發生變化。

而磁星對真空的作用，就像把它變成了一塊“量子方解石”。

偏振片與雙折射的區別。前者改變“振幅”，後者主要改變“相位”。丨作者供圖

普通真空在宏觀上幾乎是各向同性的，光沿哪個偏振方向傳播，差別都可以忽略。但磁星的超強磁場給真空指定了一個特殊方向。於是，光的電場如果相對於磁星磁場沿不同方向振動，會感受到略有不同的量子真空響應。

這就意味着兩個正交偏振本徵模式擁有略微不同的有效折射率。真空因此具有了和雙折射晶體類似的性質。換句話說，超強磁場把量子真空“光學各向異性化”了。

觀測到了什麼？

在新研究中，來自美國華盛頓大學、萊斯大學等機構的天體物理學家們，選擇了一顆編號爲1E1547.0-5408的磁星。它既有極強磁場，又具有明亮的X射線和射電輻射，非常適合做偏振測量。研究人員追蹤了它隨自轉變化的射電和 X 射線偏振，發現了兩類異常。

第一，它的X射線淨偏振程度明顯高於常規模型容易給出的水平。第二，根據磁星的磁場幾何，在某些自轉相位，來自不同表面區域的偏振方向本應相互抵消，使總偏振顯著降低，甚至接近零；但實際觀測並沒有出現預期中的強烈“退偏振”。

這正是真空雙折射可以發揮作用的地方。磁星表面不同位置發出的X射線，初始偏振方向並不完全一致。如果周圍真空對光毫無影響，等這些光傳播到遠處併疊加時，彼此之間會發生較強抵消。

但在QED（量子電動力學）真空雙折射存在時，兩個偏振本徵模式會在強磁場區域以略微不同的相速度傳播，而且偏振方向會隨着局域磁場結構逐漸演化。直到遠離磁星後，偏振狀態才“凍結”。最終結果是：來自不同區域的偏振不那麼容易互相平均掉，因此地球上的探測器可以看到異常強的淨偏振。

用於觀測的關鍵設備——成像X射線偏振探測器（IXPE）衛星丨NASA

不過，值得一說的是，這個結果仍然不是“百分之百實錘”。這裏必須強調一個實驗上的限制：我們無法站在磁星表面測量 X 射線剛發出時的“原始偏振”，再在傳播一段距離後測一次——這是最直接的檢驗方式。我們能看到的，只有它到達地球后的最終態。

因此科學家必須先根據磁星的大氣、熱點分佈、磁場結構以及我們的觀測方向，建立一個“如果沒有真空雙折射，最終應該看到什麼”的模型，再和真實觀測比較。現在的結果顯示，加入QED真空雙折射後，異常偏振能夠得到更自然的解釋。

但如果我們對磁星本身的磁場幾何或輻射區域理解有偏差，也可能產生類似現象。因此，目前最穩妥的表述不是“海森堡和歐拉已經被徹底證明”，而是：這是支持QED真空雙折射、也就是海森堡—歐拉量子真空預言的一項非常有力的天體物理證據。

結語：

這項工作的真正魅力，在於它形成了一個漂亮的物理閉環。90多年前，海森堡和歐拉從量子電動力學出發預言：真空不是完全的空，它會在極強電磁場中表現出非線性光學性質。地面實驗室無法制造足夠強的磁場，於是宇宙提供了一顆磁星；磁星把周圍真空變成了類似方解石的雙折射介質；而穿過這片量子真空的 X 射線，則把偏振信息帶到了我們的探測器。

換句話說，我們沒有“看到”虛粒子，也沒有把真空取出來放進儀器裏測量。我們看到的是光經過真空之後留下的痕跡，然後沿着這條痕跡，反推真空自身的性質。

所謂“什麼都沒有”的空間，也許恰恰隱藏着現代物理最深刻的結構。真空不是宇宙舞臺上一塊毫無內容的背景板——它本身，就是量子世界的一部分。

策劃製作

作者丨韓文標 中國科學院上海天文臺研究員

審覈丨羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

策劃丨高佩雯

責編丨王夢如