直接證據來了！科學家觀察到真空中的虛粒子轉化成真實粒子

通常我們都會認為，真空里應該空無一物，什么東西都沒有，然而量子力學卻告訴我們，實際情況并非如此。

因為根據量子力學中的不確定性原理可以推導出，在極微觀的尺度下，宇宙中的能量會不斷地出現漲落，進而持續地激發出虛粒子，這些虛粒子總是會成對地出現，然后又會在極為短暫的時間里迅速湮滅。

這樣的現象被稱為量子泡沫。根據該理論，即使是在真空里也很熱鬧，因為其中隨時上演著大量虛粒子的生生滅滅。科學家將其形象地比喻為，當成對的虛粒子出現時，它們就像是向真空“借”來了能量，而當它們湮滅時，又把能量“還”給了真空。

不得不說，這樣的描述是很難令人接受的，畢竟真空中“憑空出現”粒子這事，實在是太過匪夷所思。但有意思的是，在過去的日子里，科學家已經發現了一些關于量子泡沫的跡象，其中最典型的就是“卡西米爾效應”。

在實驗過程中，科學家將兩片非常薄的金屬箔平行置入真空之中，然后讓其互相靠近，結果發現，當距離縮小到一定程度時，它們之間就會產生一種莫名的“吸引力”，而這樣的現象就被稱為“卡西米爾效應”。

科學家認為，之所以會這樣，其實就是因為金屬箔外面的量子泡沫里，虛粒子可以自由地來來去去，而由于金屬箔之間的空間太小，只有特定波長（也就是特定能量）的虛粒子才能在里面誕生，這就會造成外面的“虛粒子壓力”比里面更大，進而“推”著金屬箔向彼此靠近。

由于這些跡象只能算是一種間接證據，因此科學家也一直在尋找更有力的證據，好消息是，根據一項近日發表在《自然》雜志上的新研究，科學家觀察到真空中的虛粒子轉化成真實粒子，而這也就意味著，直接證據來了。

此次研究的思路可以通俗地描述為，在虛粒子出現的瞬間，如果我們為其注入能量，幫它們把“欠”真空的能量給“還”了，那虛粒子就不會消失，從而轉化成真實的粒子。

在此次研究中，科學家利用粒子加速器把質子流加速到0.9999倍光速，然后讓它們對撞，制造出極端高能的環境。從理論上來講，在這種情況下，那些原本只存在于真空漲落中的虛粒子，就有機會獲得足夠多的能量，進而轉化成真實的粒子。

在觀察過程中，科學家將目光投向了一種被稱為Λ 超子（Lambda超子）的粒子。

簡而言之，Λ 超子是一種由三個夸克組成的重子，只不過它的內部結構和普通物質略有不同，我們熟悉的質子和中子是由上夸克和下夸克組成，而Λ 超子則包含一個上夸克、一個下夸克，以及一個奇異夸克。

奇異夸克的存在，讓這種粒子比普通質子更重，也極不穩定，因此它們只能在高能粒子碰撞中被短暫制造出來，然后在極短的時間迅速衰變。

對科學家來說，這種壽命極為短暫的粒子是一個非常理想的觀察對象，因為它們不會被環境反復干擾，其身上保留的信息非常“干凈”，并且它們的自旋方向可以通過衰變產物被準確測量出來。

通過大量的測量，科學家觀察到了一個現象，那就是當兩個Λ 超子在碰撞中幾乎同時、并且彼此距離非常接近地生成時，它們的自旋方向是高度一致的，仿佛一對同步的“量子雙胞胎”，而當它們生成的位置相隔較遠、或者沒有同時生成時，這種關聯卻不存在。

科學家指出，這種強烈的自旋相關性無法用普通粒子生成機制來進行合理解釋，卻堪稱完美地符合了基于量子泡沫的預期。

其過程簡單來講就是，在碰撞發生之前，真空中曾短暫出現過一對奇異夸克和反奇異夸克的虛粒子，它們天生帶著量子糾纏關系，而當碰撞提供了足夠的能量，這對原本轉瞬即逝的虛粒子就轉化成了真實粒子，隨后參與形成了這種帶有強烈自旋相關性“量子雙胞胎”。

盡管這個過程持續的時間極為短暫，但它們留下的量子特征卻通過真實粒子的行為被記錄下來，而這也意味著，我們真的觀察到真空中的虛粒子轉化成真實粒子。

也就是說，真空中真的會“憑空出現”粒子，不得不說，宇宙真的是很奇妙，你覺得呢？

參考資料：Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement，Nature 650, 65–71 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09920-0