摘要：七十多年来，物理学家一直无法观测到朱利安·施温格在1951年预言的神秘现象——在强电场作用下，真空中会凭空产生电子-正电子对。这一被称为施温格效应的量子隧道现象需要极其强大的电场，远超任何实验室所能达到的极限。如今，不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家找到了破解这

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250913232932.htm

七十多年来，物理学家一直无法观测到朱利安·施温格在1951年预言的神秘现象——在强电场作用下，真空中会凭空产生电子-正电子对。这一被称为施温格效应的量子隧道现象需要极其强大的电场，远超任何实验室所能达到的极限。如今，不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家找到了破解这一难题的巧妙方法：用超流体氦薄膜模拟真空环境，成功重现了这种"从无到有"的量子创生过程。

这项发表在《美国科学院院报》上的研究不仅为观测施温格效应提供了可行路径，更重要的是，它可能彻底改变我们对超流体、量子隧道效应乃至宇宙起源的理解。研究团队通过精巧的理论设计，用超流体的涡旋-反涡旋对替代了电子-正电子对，将这一宇宙级现象带入了实验室的可观测范围。

从理论预言到实验现实的跨越

通过用超流体氦代替施温格理论中不可能的电场，物理学家可以观察涡旋对自发出现。这一发现为了解宇宙奥秘和现实世界材料的量子行为打开了新的大门。图片来源：AI/ScienceDaily.com

施温格效应作为量子场论的重要预言，描述了在足够强的电场作用下，真空中的虚粒子会转化为真实的粒子对。这一效应需要的电场强度约为每厘米10^18伏特，相当于在原子尺度上施加重力的10^29倍强度。如此极端的条件使得直接观测几乎不可能实现。

不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家Philip Stamp博士和Michael Desrochers找到了绕过这一技术壁垒的创新方法。他们意识到，超流体氦-4在极低温下具有独特的性质，可以作为真空的完美类比系统。Stamp博士解释道："超流体氦-4是一个奇迹。在几个原子层厚的地方，它可以很容易地冷却到基本上处于无摩擦真空状态的温度。"

在这个巧妙的实验设计中，研究人员用超流体氦薄膜替代真空，用超流体的背景流替代强电场。当超流体被设置为流动状态时，涡旋-反涡旋对会自发出现，这些涡旋以相反方向旋转，完美对应了施温格效应中的电子-正电子对创生过程。

量子真空的深层秘密

这项研究的意义远超表面的技术突破。量子力学告诉我们，真空并非空无一物，而是充满了不断涌现和湮灭的虚粒子。这些量子涨落是现代物理学最神秘的现象之一，它们不仅影响着基本粒子的行为，还与宇宙的基本结构息息相关。

施温格效应正是量子真空性质的直接体现。当外加电场足够强大时，这些虚粒子对会获得足够的能量，从虚拟状态转变为可观测的真实粒子。这一过程被认为在早期宇宙、黑洞附近以及中子星表面等极端环境中发挥重要作用。

Stamp博士强调："我们相信氦-4薄膜为几种宇宙现象提供了一个很好的模拟。深空的真空、量子黑洞，甚至是宇宙本身的开端。这些是我们永远无法通过任何直接实验方式接近的现象。"这种类比系统为理解宇宙最基本的物理过程提供了前所未有的实验窗口。

超流体物理的革命性发现

然而，这项研究的真正价值可能不仅在于对施温格效应的模拟，更在于它对超流体物理学本身的革命性贡献。研究团队在数学建模过程中发现了一个令人震惊的现象：涡旋的质量并非恒定不变，而是随着涡旋的运动而发生剧烈变化。

这一发现颠覆了过去几十年来物理学家对超流体涡旋的基本认知。传统理论一直将涡旋质量视为固定常数，但Stamp博士和Desrochers的计算表明，涡旋质量的变化对整个系统的动力学行为具有根本性影响。

Desrochers指出："了解质量如何以及为什么变化，以及这如何影响我们对量子隧道过程的理解是令人兴奋的，量子隧道过程在物理、化学和生物学中无处不在。"这一发现不仅改变了我们对超流体的理解，还可能影响对其他量子系统中类似现象的认知。

更令人惊讶的是，研究团队认为这种质量变异性也应该存在于原始的施温格效应中。如果这一推论正确，那么电子-正电子对在强电场中产生时，其质量同样会发生变化，这将对施温格的原始理论构成重要修正。Stamp博士将这种现象称为"模拟的报复"，意指通过研究模拟系统反过来加深了对原始现象的理解。

实验实现的技术路径

这项理论研究最引人注目的方面是其强烈的实验导向。研究团队不仅提出了理论框架，还详细规划了实现实验验证的具体方法。超流体氦-4的实验技术已经相当成熟，全世界多个实验室都具备进行相关实验的能力。

实验的关键是制备几个原子层厚的超流体氦薄膜，并将其冷却到接近绝对零度。在这种条件下，氦原子会形成一个无摩擦的量子流体，其行为完全由量子力学定律支配。通过精确控制薄膜的几何形状和边界条件，研究人员可以在其中建立稳定的背景流动。

当这种背景流动达到临界强度时，系统会自发产生涡旋-反涡旋对，这些对偶结构的出现和行为可以通过现有的实验技术精确观测和测量。这为验证理论预测提供了直接的实验手段。

科学意义与未来展望

这项研究的科学意义是多重的。首先，它为长期无法观测的施温格效应提供了可行的实验验证路径，这对于验证量子场论的基本预言具有重要意义。其次，它揭示了超流体物理学中前所未知的现象，可能引发对这一成熟领域的重新审视。

从更广阔的视角看，这种"宇宙实验室"的概念为研究极端物理现象开辟了新的可能性。许多发生在黑洞、中子星或早期宇宙中的物理过程由于条件过于极端而无法直接观测，但通过精心设计的模拟系统，科学家可能能够在实验室中重现这些现象的本质特征。

Stamp博士特别强调，虽然模拟系统总是有其局限性，但这项工作的真正价值在于"这些本身就是真实的物理系统，而不是类似物。我们可以对这些进行实验。"这种观点提醒我们，科学研究的目标不仅是模拟已知现象，更是发现新的物理规律。

这项研究还可能对其他领域产生深远影响。量子隧道效应广泛存在于物理、化学和生物系统中，对涡旋质量变异性的新理解可能会改变我们对这些过程的认知。从分子反应到生物膜离子通道，量子隧道都发挥着关键作用。

随着实验技术的不断进步，我们有理由期待在不久的将来看到些理论预言的实验验证。这不仅会是施温格效应观测的历史性突破，也将为量子物理学和宇宙学研究开启新的篇章。正如这项研究所展示的，有时候最深刻的科学发现来自于看似简单但极其巧妙的理论洞察。

来源：人工智能学家