美國物理學家證實量子真空漲落與真實物質形成間的直接關聯

美國物理學家團隊近日取得基礎性突破，證實了在理論上被視為「空無」的量子真空，與可偵測的真實物質形成之間存在著罕見的直接聯繫。這項研究成果已於2026年2月初發表於權威科學期刊《自然》（Nature）之上，標誌著對物質起源理解邁出重要一步。該實驗由位於紐約布魯克海文國家實驗室（BNL）的史塔實驗（STAR Collaboration）團隊，利用美國能源部（DOE）資助的相對論性重離子對撞機（RHIC）設施所完成。

研究人員深入分析了數百萬次質子-質子對撞的數據，特別聚焦於一對被稱為拉姆達超子（lambda hyperons）及其反物質對應物——反拉姆達粒子（antilambda particles）的生成情況。這些壽命極短的粒子極為適合進行此類研究，因為它們的量子自旋方向與磁性密切相關，可以透過其衰變模式進行精確重構。實驗團隊觀察到，當拉姆達粒子與反拉姆達粒子在對撞中極為靠近地產生時，它們的自旋方向呈現出完美的對齊狀態，這與真空中的虛粒子對的特性高度吻合。此發現被視為首個直接證據，證明這些粒子中的奇異夸克（strange quarks）確實源自於真空中的一對不可分割的虛粒子對。

量子真空的本質被描述為充滿了不斷漲落的能量場，這些能量場會短暫地產生具有量子糾纏的「虛」粒子-反粒子對，它們不斷出現與湮滅，但無法維持足夠長的時間被計為「真實」粒子。然而，在RHIC中以接近光速進行的質子對撞，提供了足夠的能量，使部分這些虛的奇異夸克/反奇異夸克對轉化為STAR儀器可偵測到的真實粒子。由於虛的奇異夸克/反奇異夸克對的自旋總是保持對齊，因此在拉姆達-反拉姆達粒子對中偵測到相同的自旋對齊現象，強烈暗示它們繼承了來自真空的量子對齊特性。

布魯克海文實驗室的STAR物理學家兼該研究的共同領導者之一，涂周敦明（Zhoudunming (Kong) Tu）博士於2026年2月指出，此項研究為探究量子真空提供了獨特的視窗。新罕布夏大學的物理學家兼共同領導者Jan Vanek博士解釋，這種現象類似於「量子雙胞胎」，它們在近距離生成時保留了其母體奇異夸克所帶有的自旋對齊狀態。有趣的是，當粒子在碰撞中產生距離較遠時，這種對齊現象便會消失，這暗示著空間分離允許環境影響介入，導致量子糾纏的喪失。

這項基於2026年2月發現的創新技術，提供了一種探究從量子關聯行為轉變為經典物理學的新途徑，對於前沿科技具有啟示意義。RHIC自2000年開始運作，是美國唯一具備自旋極化質子對撞能力的加速器。研究人員計劃將此技術擴展至重離子對撞，並應用於BNL未來規劃中的電子-離子對撞機（EIC），該設施預計將在2030年代初期開始運作，成本範圍約在17億至28億美元之間。涂周敦明博士目前擔任布魯克海文國家實驗室的助理物理學家，同時也是石溪大學的兼職助理教授。

此項研究的重大意義在於，它首次提供了實驗上直接的佐證，將理論上的量子真空概念與可觸及物質的創造機制連結起來。RHIC的兩條環形加速器總長約2.4英里，配備了1,700個超導磁鐵，使其成為世界上進行極端核物質研究和質子自旋起源探究最靈活的對撞機之一。透過對拉姆達-反拉姆達粒子自旋的精確測量，科學家得以窺見宇宙誕生初期極端條件下物質形成的深層物理過程。