美国物理学家证实量子真空涨落与真实物质形成存在直接关联

美国物理学界近期取得一项基础性突破，证实了在理论上被视为“空无”的量子真空的虚无状态与可探测真实物质的形成之间存在罕见且直接的联系。这项研究成果已于2026年2月初在权威科学期刊《自然》（Nature）上正式发表，标志着对物质起源理解迈出了关键一步。

该实验由隶属于美国能源部（DOE）的STAR合作组在布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）上完成。RHIC是美国境内唯一运行的粒子对撞机，自2000年开始运行以来，已在核物理领域取得多项重大发现。研究人员对数百万次质子-质子对撞事件进行了细致的数据分析，重点关注了短寿命的粒子——拉姆达超子（lambda hyperons）及其对应的反物质——反拉姆达粒子。这些粒子因其量子自旋方向可通过其衰变模式精确重建，成为研究的理想对象。

STAR合作组的核心发现是：当拉姆达粒子和反拉姆达粒子在一次对撞中彼此非常接近地产生时，它们的自旋方向表现出完美的对齐状态。布鲁克海文国家实验室的STAR物理学家、该研究的共同负责人之一涂周明（Kong Tu）博士于2026年2月指出，这项工作为审视量子真空提供了独特视角，有望开启理解可见物质形成的新纪元。该发现被视为首个直接实验证据，表明这些粒子中的奇异夸克（strange quarks）确实源自于真空中的一个不可分割的夸克/反夸克对。量子真空的本质并非空洞，而是充满了不断涨落的能量场，这些能量场会短暂地产生量子纠缠的“虚”粒子-反粒子对。

RHIC对撞机将粒子加速至接近光速，提供了将部分虚的奇异夸克/反奇异夸克对转化为真实、可被STAR仪器探测到的粒子的必要能量。理论上，真空中的虚奇异夸克/反奇异夸克对的自旋总是保持平行对齐。实验中检测到拉姆达-反拉姆达粒子对的自旋也呈现出这种对齐，强烈暗示它们继承了这种量子自旋关联。新罕布什尔大学的物理学家、共同负责人之一Jan Vanek解释说，这种现象类似于“量子双胞胎”，它们在靠近彼此产生时保留了其母体奇异夸克在真空中的自旋排列。有趣的是，当这些粒子在碰撞中相距较远时，这种自旋对齐现象会消失，表明环境影响可能导致了量子纠缠的丧失。

这项研究的发现，为研究从量子关联行为向经典物理过渡提供了新的实验途径，对量子计算领域具有重要意义。研究人员计划将此技术扩展应用于重离子对撞，并应用于布鲁克海文国家实验室未来基于RHIC基础设施建设的电子-离子对撞机（EIC）。EIC项目已于2024年5月获得美国能源部“关键决策3A”批准，预计于2026年进入施工阶段，旨在通过对撞偏振电子束与偏振质子或重离子，以前所未有的精度揭示原子核内部结构。

RHIC作为美国最大的粒子对撞机，于2026年2月6日完成了其25年的运行，并进行了最后一次氧离子对撞。RHIC的成功运行不仅证实了“完美”夸克-胶子液体的存在，还为探索物质的起源和质子自旋的本质提供了关键数据。涂周明（Kong）Tu博士目前被列为布鲁克海文国家实验室的副物理学家，同时也是石溪大学的兼职副教授；Jan Vanek博士则在德克萨斯大学担任重要的物理学职务。