摘要：当朱利安·施温格在1951年提出“真空中能凭空产生电子-正电子对”的预言时，连他自己或许都未曾想到，这一被后世称为“施温格效应”的理论，会在七十多年后以一种近乎“曲线救国”的方式走进实验室。

文|ho侯神

编辑|ho侯神

当朱利安·施温格在1951年提出“真空中能凭空产生电子-正电子对”的预言时，连他自己或许都未曾想到，这一被后世称为“施温格效应”的理论，会在七十多年后以一种近乎“曲线救国”的方式走进实验室。

长久以来，这个描述量子真空深层奥秘的现象，因需要每厘米10^18伏特的极端强电场，相当于在原子尺度施加远超地球重力万亿倍的力量，而被束之高阁，成为理论物理学家笔下的“理想模型”，却始终与实验观测无缘。

直到不列颠哥伦比亚大学Philip Stamp博士与Michael Desrochers的研究团队，将目光投向了极低温下的超流体氦薄膜。

他们的研究成果发表在《美国科学院院报》后，迅速引发物理学界关注，因为它不仅让“从无到有”的量子创生过程变得可观测，更颠覆了人们对某些基础物理概念的固有认知。

超流体氦-4本身就是一种充满“反常识”魅力的物质，在接近绝对零度的极低温环境中，它会失去黏性，成为一种“无摩擦”的量子流体，原子的运动不再遵循经典物理规律，而是展现出奇妙的量子特性。

Stamp博士团队发现，当超流体氦-4被制成仅几个原子层厚的薄膜时，其内部环境竟能完美类比宇宙中的“量子真空”，看似空无一物，实则充满了不断涌现又瞬间湮灭的“虚粒子”。这种特性，恰好为模拟施温格效应提供了天然的“实验室舞台”。

在传统理论中，施温格效应的核心是强电场将真空中的虚粒子“激活”为真实的电子-正电子对。

而在Stamp团队的设计里，超流体的背景流替代了难以实现的强电场，超流体中自发出现的“涡旋-反涡旋对”则对应了电子-正电子对。

这些涡旋以相反方向旋转，它们的产生与湮灭，就像在实验室里上演了一场微缩版的“宇宙创生”。

更令人惊喜的是，这项研究带来的突破远不止“模拟”本身，在构建数学模型的过程中，团队意外发现了一个颠覆传统认知的现象，超流体中的涡旋质量并非恒定不变，而是会随着涡旋的运动状态发生剧烈变化。

在此之前，物理学家们一直将超流体涡旋的质量视为固定常数，这一认知甚至成为超流体物理学的基础理论之一，而Stamp团队的计算表明，涡旋质量的变化不仅真实存在，还对整个超流体系统的动力学行为起着决定性作用。

Desrochers指出，量子隧道效应广泛存在于物理、化学乃至生物学领域，小到微观粒子穿越“能量壁垒”，大到化学反应中的电子转移，甚至生物体内某些酶的催化过程，都与量子隧道效应息息相关。

而对涡旋质量变异性的理解，或许能为解释这些复杂的量子过程提供全新视角，比如在化学反应中，粒子质量的细微变化是否会影响隧道效应的概率？在生物酶催化中，这种质量波动是否是提升反应效率的关键？这些问题，都因这项研究有了新的探索方向。

从理论到实验，这项研究的可操作性也让物理学家们充满期待，目前，超流体氦-4的实验技术已相当成熟，全球多个实验室都具备制备原子层厚超流体薄膜、将其冷却至接近绝对零度的条件。

实验的核心步骤清晰明了，先制备出均匀的超流体氦薄膜，通过精密设备控制其温度与边界条件，再在薄膜中建立稳定的背景流，当背景流强度达到临界值时，涡旋-反涡旋对便会自发产生。

而现有的观测技术，如光学成像、量子传感等，完全能够捕捉到这些涡旋的运动轨迹，进而验证理论预测。

这种“在实验室里研究宇宙”的思路，为探索极端物理现象提供了全新范式。

宇宙中的许多过程，如早期宇宙的粒子创生、黑洞附近的物质行为、中子星表面的极端物理环境等，都因条件过于苛刻而无法直接观测。

但通过构建“类比系统”，科学家们可以在实验室中重现这些现象的核心物理机制，从而间接揭开宇宙的奥秘。

Stamp博士就认为，超流体氦薄膜不仅能模拟量子真空，还可能成为研究“量子黑洞”“宇宙开端”等前沿课题的工具，毕竟，对于这些人类永远无法直接触及的领域，“间接观测”或许是目前最可行的探索路径。

当然，我们也需要清醒地认识到，超流体中的涡旋-反涡旋对，与真空中的电子-正电子对在本质上仍有差异，前者是宏观量子现象的体现，后者则是微观粒子物理的过程。

但这并不影响这项研究的价值，科学的进步往往始于“近似”，再通过不断修正、完善，逐步接近真理。

正如Stamp博士所说：“这些模拟系统本身就是真实的物理系统，不是简单的‘类似物’，我们对它们的实验研究，本身就是在发现新的物理规律。”

从更长远来看，这项研究可能会引发连锁反应，在量子物理领域，它为验证量子场论的基本预言提供了新途径，有助于深化人类对量子真空本质的理解。

在材料科学领域，对超流体涡旋质量变异性的认识，可能为设计新型量子材料，如高温超导体、量子传感器等，提供灵感。

甚至在宇宙学领域，它可能让科学家们重新审视早期宇宙的粒子创生过程，为解释“宇宙为何充满物质而非反物质”等终极问题提供新线索。

七十多年前，施温格在纸上写下他的预言时，或许未曾想到，人类会用如此巧妙的方式“遇见”他笔下的物理奇迹。

从理论预言到实验模拟，从超流体薄膜到宇宙创生，这项研究跨越了尺度与领域的界限，向我们展示了科学探索的无限可能，有时候，最深刻的发现，往往藏在看似不相关的角落。

来源：ho侯神