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当电磁波从‘被强磁场包围的源处’传播时，由于磁场对真空空间的影响（真空双折射），极化方向会受到影响。通过测量中子星周围极化的波长依赖效应，可以证实量子真空中虚粒子的预测。虽然我们的直觉在通常情况下是一个非常有用的工具，从我们在地球上的一生的经验发展而来，当我们观察宏观世界或者微观世界时，直觉往往会误导我们。但我们都可以通过应用最好的科学理论，进行物理预测，然后观察和测量临界现象来做得更好。

没有这种方法，我们永远不会理解物质的基本组成部分，物质和能量的相对论行为，或者空间和时间本身的基本性质。但没有什么能与量子真空的反直觉性质相匹配。空的空间不是完全空的，而是由不确定的波动场和粒子组成。这不是科幻小说，这是一个理论框架，带有可测试的、可观察的预测。在海森堡首次提出观测测试假设80年后，人类已经证实了这一点。

说明了量子层次上位置和动量之间固有的不确定性。同时测量这两个量的能力是有限的，而不确定性往往出现在人们最不期望它出现的地方。发现我们的宇宙本质上是量子的，带来了许多不直观的结果。你对一个粒子的位置测量得越好，它的动量就越不确定。不稳定粒子的寿命越短，其质量就越不为人所知。在适当的实验条件下，在宏观尺度上表现为固体的物质可以表现出类似于波的性质。

但是，当涉及到一种违背我们直觉的现象时，空的空间可能占据了首位。即使你把所有的粒子和辐射从一个空间区域移走，空间仍然不会是空的。它将由粒子和反粒子的虚对组成，它们的存在和能谱可以计算出来。通过这个空间发送正确的物理信号应该会产生可以观察到的结果。

早期宇宙由量子泡沫组成的图解，其中量子涨落很大，变化很大，在最小的尺度上也很重要。暂时存在于量子真空中的粒子本身可能是虚的，但它们对物质或辐射的影响是非常真实的。当有一个粒子穿过的空间区域，这个空间的性质可以有很多真实的物理效应可以预测和测试。

其中一个影响是，当光在真空中传播时，如果空间是完全空的，它应该在这个空间中畅通无阻地传播，不弯曲，不减速，也不分解成多个波长。施加外部磁场不会改变这一点，因为光子具有振荡的电场和磁场，在磁场中不会弯曲。即使空间充满了粒子/反粒子对，这种效果也不会改变。但是，如果在一个充满粒子/反粒子对的空间中施加一个强磁场，就会突然产生一个真实的、可观察到的效果。

量子场论计算可视化，显示量子真空中的虚粒子。(特别是对于强相互作用。)即使在真空中，这个真空能量也是不为零的。当粒子-反粒子对突然出现或消失时，它们可以与电子或光子等真实粒子相互作用，在可能被观察到的真实粒子上留下印记。当粒子/反粒子对出现在真空中时，你可能会认为它们只是突然出现，存活了一会儿，然后再次湮灭，回到虚无之中。在没有外部场的真空中，这是正确的：海森堡的能量-时间不确定性原理适用，只要所有相关的守恒定律仍然被遵守，这就是全部。

但是当你施加一个强磁场时，粒子和反粒子有相反的电荷。速度相同但电荷相反的粒子在磁场作用下会向相反的方向运动，光穿过带有以这种特定方式运动的带电粒子的空间区域时，应该会产生一种效应：它应该被极化。如果磁场足够强，这将导致明显的大极化，其程度取决于磁场的强度。

在实验室环境中，已经有许多测量真空双折射效应的尝试，例如这里所示的直接激光脉冲设置。然而，到目前为止，它们还没有成功，因为它们的影响太小，即使是在地球磁场中，也无法观测到。这种效应被称为真空双折射，当带电粒子被强磁力线拉向相反的方向时就会发生这种现象。即使在没有粒子的情况下，磁场也会对量子真空产生这种效应。这种真空双折射的效应随着磁场强度的增加而迅速增强。尽管这种效应很小，但我们在宇宙中有一些地方，那里的磁场强度足够大，使这些效应变得很明显。地球天然磁场的可能只有大约microtesla，和最强的人造磁场也只有T。但中子星给我们机会，特别是极端条件下，磁场强度超过10^8T。

中子星虽然主要由中性粒子构成，但它产生的磁场却是宇宙中最强的，比地球表面的磁场强1万亿倍。当中子星合并时，它们应该产生引力波和电磁信号，当它们超过2.5到3个太阳质量(取决于自旋)的临界值时，它们可以在一秒钟内变成黑洞。中子星是如何产生如此大的磁场的？答案可能不是你想的那样。虽然“中子星”这个名字听起来很吸引人，但它并非完全由中子构成。中子星的外层10%主要由质子、轻核和电子组成，它们可以稳定存在，而不会在中子星表面被压碎。

中子星的自转速度非常快，经常超过光速的10%，这意味着中子星外围的带电粒子总是在运动，这就需要产生电流和感应磁场。如果我们想要观察真空双折射，以及它对光偏振的影响，这些是我们应该寻找的领域。

由于真空双折射现象，中子星表面发出的光可以被它所经过的强磁场极化。地球上的探测器可以测量偏振光的有效旋转。测量中子星发出的光是一个挑战，尽管中子星非常热，甚至比普通恒星还要热，但它们很小，直径只有几十公里。中子星就像一颗发光的类太阳恒星，其温度可能是太阳的两到三倍，被压缩成一个华盛顿特区大小的体积中子星非常微弱，但它们确实从光谱的各个方向发出光，包括射电光谱的各个方向。根据我们选择的角度，我们可以观察到真空双折射对光偏振的波长依赖效应。

非常微弱的中子星RXJ.5-周围区域的VLT图像。西格尔添加的蓝色圆圈显示了中子星的位置。请注意，尽管在这幅图像中出现非常微弱和红色，但有足够的光线到达我们的探测器，通过适当的仪器，我们可以寻找这种真空双折射效应。所有发出的光都必须通过中子星周围的强磁场，才能进入我们的眼睛、望远镜和探测器。如果它所经过的磁化空间显示出预期的真空双折射效应，那么所有的光都应该是偏振的，所有光子的偏振方向都是相同的。

年，科学家们找到了一颗距离地球足够近、磁场足够强的中子星，使这些观测成为可能。罗伯特·米尼亚尼领导的研究小组与智利的甚大望远镜(VLT)合作，测量了中子星RXJ.5-的偏振效应。

两种模型(左、右)的相位平均线偏振度等值线图，各向同性黑体和气态大气模型。在顶部，你可以看到观测数据，而在底部，你可以看到如果你从数据中减去真空双折射的理论效应会得到什么，效果完全吻合。作者能够从数据中提取出一个很大的影响，偏振度约为15%。他们还计算了真空双折射的理论效应，并从实际测量数据中减去了它。他们的发现是惊人的，真空双折射的理论效应实际上解释了所有观测到的偏振现象。换句话说，数据和预测几乎完全吻合。

你可能认为更近、更年轻的脉冲星(如蟹状星云中的脉冲星)可能更适合进行这样的测量，但RXJ.5-的特殊之处在于，它的表面没有被稠密、充满等离子体的磁层所遮蔽。

如果你观察一个脉冲星，就像蟹状星云中的脉冲星，你可以看到它周围区域的不透明度的影响；它对于我们想要测量的光来说是不透明的。

但是RXJ.5-周围的光是完美的。通过对这颗脉冲星电磁光谱中这一部分的偏振测量，我们证实了光实际上是偏振的，偏振方向与量子电动力学中真空双折射的预测方向相同。这证实了很久以前——年——维尔纳海森堡和汉斯欧拉预测的一种效应，即在两人去世几十年后，我们现在可以在他们各自的简历中加上“理论天体物理学家”一词。

未来由欧空局雅典娜建立的x射线观测站，将具备从太空测量x射线偏振的能力，这是我们目前领先的观测站。现在已经观察到真空双折射的影响，并通过关联，量子真空中虚拟粒子的物理影响，我们可以尝试用更精确的定量测量来进一步证实它。方法是在x射线中测量RXJ.5-，测量x射线的偏振。

虽然我们现在还没有能够测量x射线偏振的太空望远镜，但其中一个正在进行中：欧洲航天局的雅典娜任务。不同于VLT在探测波长中观察到的15%的偏振，x射线应该是完全偏振的，显示出%左右的效果。雅典娜号目前计划于年发射，它可以为不止一颗中子星，而是许多颗中子星提供这一确认。这是量子宇宙的又一场胜利，虽然不直观，但不可否认的是它的迷人之处。