真空並不是真空的，這個解釋有點難以理解！

最近，歐洲一組科學家在英國《皇家天文學會月報》上發表了一篇有趣的論文，在觀測了一個外號為「七劍客 (Magnificent Seven)」的中子星後，聲稱第一次發現了量子電動力學預言的真空雙折射現象：在強磁下的作用下，真空會表現得像雙折射晶體一樣，使得光子的偏振在傳播過程中產生改變。

所以這說明了啥？我們先從中子星說起。

有趣的中子星

大質量恆星演化到晚期會通過核燃燒累積一個巨大的鐵核，而這個鐵核達到一定質量之後，因為壓力過大，將不可避免地產生坍縮，同時產生劇烈的伽馬射線暴和超新星爆發。某些情況下，這樣的核坍縮會形成一個中子星。早在1934年，天文學家Walter Baade 和Fritz Zwicky就預言了這種機制的存在。

中子星，顧名思義就是由中子物質組成的極緻密的星體。但事實上，中子星的內部結構究竟是怎麼樣的，物質在極端壓力下的狀態是什麼樣的，仍然是天體物理和核物理中的未解難題，也是今天和將來科學家們努力工作的方向。

中子星的密度有多高呢？天文學測量告訴我們，中子星的質量和太陽差不多，半徑卻只有大概10 公里左右。太陽的半徑約為70萬公里，太陽的平均密度（1.4 g/cm^3）和水接近。兩個質量相同的星體，它們的密度和半徑的3次方成反比。因此，中子星的密度是

試想一下，原子的大部分質量集中在原子核，但大部分空間卻被電子佔據。如1果你能想辦法把電子壓進原子核，變成一堆緊密排列的中子，這密度該有多大啊！

就像其他天文學發現一樣，中子星的發現也是一個意外。1967年，當時劍橋大學的研究生Jocelyn Bell負責運行一架新的射電望遠鏡並處理數據。望遠鏡每天產生30米的記錄資料，需要用肉眼來分析和識別信號。兩個月後，Bell注意到紙上有個不尋常的周期信號，經過不懈地重複觀測和謹慎排查，最終確認信號來自宇宙空間。這就是脈衝星，宇宙中的燈塔。由於Bell是一名學生，還是一名女生，這兩個因素導致這麼重要的發現最終是她的導師獲得了諾貝爾物理學獎，成為天文史上的遺憾。

脈衝星的發現者Jocelyn Bell

其實，這裡發現的脈衝星，就是中子星。

為什麼說這些脈衝星是中子星呢？我們來做一些簡單的計算。脈衝星表面的離心力不能超過引力，否則脈衝星就會瓦解。這樣，利用簡單的牛頓萬有引力定律和離心力的公式，就可以得到脈衝星的密度 (ρ) 和周期 (P) 的關係為

這裡G是萬有引力常數。著名的蟹狀星雲中的脈衝星周期是33毫秒，帶入上式，得到密度的下限是10^11 g/cm^3，遠大於白矮星的密度，所以只可能是中子星。目前已知的轉動最快的脈衝星的周期接近1毫秒，因此密度的下限接近10^13 g/cm^3，很接近我們前面的估算結果。

中子星不僅密度大，磁場還非常強，正是其超強的磁場才導致了本文開始提到的真空雙折射現象。我們再拿太陽做個例子。如果你能把太陽壓縮成一個中子星（自然情況下，我們的太陽只會變成白矮星，不會變成中子星），磁通量守恆意味著星體表面的磁力線會被壓縮得密密麻麻地：

太陽表面的磁場強度約為100高斯，半徑變化了70,000倍，那麼可以推出中子星表面的磁場強度約為10^12高斯。事實上，很多已經知道的中子星的磁場就是這麼強，而且有的中子星的磁場更是高達10^14高斯。這麼強的磁場會產生什麼奇特的現象呢？

這就要說到真空雙折射效應了。

真空雙折射效應

量子力學的不確定原理要求，物理的真空不能保持不變，也就是必須處於片刻不停的漲落中，這些漲落就是不停地產生虛粒子對，也就是瞬間產生一對正反粒子，這一對正反粒子又瞬間湮滅把能量還回去，從而整體上真空維持平均能量為零的狀態。

著名的霍金輻射就是真空漲落髮生在黑洞附近時發生的，虛粒子對中的一個進入黑洞，另外一個無法找到其伴侶湮滅，只能逃出去，從遠處看來就好像黑洞在產生輻射。

如果磁場強到了可以跟真空漲落產生的虛粒子對（比如正負電子對）產生顯著的作用，就會影響真空的性質，使得真空像晶體那樣具有雙折射效應，從而影響光子在真空中的傳播。

由於中子星附近的磁場是宇宙中已知最強的磁場（比如目前人造最強的磁場也只有約10^6高斯，比中子星表面的磁場弱大約百萬倍），所以磁場導致的真空雙折射效應在中子星附近最顯著。

電磁波是交替振動向前傳播的電場和磁場。電磁波中電場振動方向稱為偏振方向。

雙折射效應是某些晶體的特有屬性。光子是電場和磁場交替振動的電磁波，其電場振動方向是光子的偏振方向。雙折射晶體有個特定的方向，偏振方向平行和垂直於這個特定方向的光子在晶體里的運動速度不一樣，結果導致了光子在晶體內傳播時偏振方向會改變。

雙折射晶體最常見的應用就是液晶顯示屏。如下面所示，液晶屏由兩片垂直的偏振片組成，在不加電的情況下，中間的液晶錶現出雙折射效應，光的偏振方向旋轉90度，此時像素是亮的。加電之後，晶體雙折射效應消失，光的偏振方向不變，此時像素變暗。

液晶屏工作原理：通過控制光的偏振方向從而控制像素的明和暗。

中子星「七劍客」

中子星剛形成時，表面溫度很高，然後隨著黑體輻射漸漸降溫。在德國的倫琴X射線望遠鏡 (ROSAT) 巡天時，發現了7個孤立的中子星，表面溫度在幾十萬度左右，被天文學家戲稱為「七劍客」。

七劍客表現出一個接近完美（還是有點兒瑕疵，此處按下不表）的黑體輻射，峰值在軟X射線波段。這些輻射來自於中子星的表面一層薄薄的大氣層里。在高溫的作用下，大氣層中的物質被電離成等離子體，由於強磁場的存在，等離子體中的電子只能沿著磁力線運動，否則強大的洛倫茲力會把它拽回來。就像下面的兒童玩具一樣，珠子好比是電子，只能沿著「磁力線」運動。

強磁場中的等離子體被極化，電子只能沿著磁力線運動，就像這個兒童玩具一樣。

強磁場把電子變成了一排排順著磁場排列的「糖葫蘆串」，光子很難在垂直於磁場方向把糖葫蘆掰下來。導致的結果就是，偏振方向垂直於磁場的光子可以自由穿過等離子體而不與電子發生作用（吃不到糖葫蘆），而偏振方向順著磁場方向的光子就會像平常一樣被散射（能吃上糖葫蘆）。

最終，這種強磁場的等離子就變成了一個偏振濾鏡，使得出射的光子具有高度線偏振，而偏振方向垂直於當地磁場。中子星表面的熱輻射來自於大氣層中，深處的輻射溫度高、輻射功率高，但只有偏振方向垂直於當地磁場的光子才能透出。因此，在強磁場的作用下，中子星表面局部區域都表現出幾乎百分之百的線偏振。

雖然局部是接近百分之百的線偏振，但由於表面的磁場向各個方向分布的都有，如果中子星的磁場只局限在表面上，觀測者看到的就是來自表面各個區域的輻射的疊加。兩束流強一樣偏振方向垂直的光束疊加後總體偏振度為零，所以，中子星表面熱輻射的整體的偏振度並不會特別高。

好在中子星的磁場類似偶極磁場，可以延伸到非常遠的真空區域。如前所述，和晶體的雙折射效應類似，強磁場下的真空也會影響光子的傳播，導致光子在傳播過程中偏振方向發生旋轉。磁場怎麼轉，偏振就怎麼轉，直到距離中子星很遠的地方，磁場強度不足夠強了，上述效應可以忽略不計了，偏振才會固化下來向前傳播。

左圖：中子星的偶極磁場示意圖。中圖：中子星表面磁場方向的分布，各個方向都有。右圖：在距離中子星較遠的某個視線方向上，磁場分布比較均勻。

這個效應會產生一個有趣的觀測現象：我們看到的偏振不是由中子星表面的磁場分布決定的，而是由距離中子星較遠的一個位置上的磁場分布決定的，而在遙遠的距離上，視線方向的磁場的分布很均勻，所看到的偏振度當然就很高。

「七劍客」與真空雙折射的證實

歐洲的天體物理學家們終於利用觀測證實了這一點。他們測量了「七劍客」中最亮的一個源的光學偏振，獲得了較高的偏振度。通過理論計算，如果沒有上述真空雙折射效應，預期的偏振度會低得多。所以這次觀測驗證了理論預言的強磁場下真空的性質類似於某些晶體。

真空真的不空！

X射線時變和偏振探測衛星 (XTP) 是我國預研中的未來X射線望遠鏡，將具有很強的X射線偏振觀測能力，對理解黑洞和中子星等天體的物理機制有很大幫助。

實際上，這些源的輻射峰值在軟X射線波段，所以軟X射線的偏振儀是更合適的觀測工具，測量結果能夠更加精確地和理論模型進行比較。

但是，由於X射線波長極短，X射線偏振測量是極其困難的事情。經過了多年的研究和發展，目前新型的X射線偏振探測技術在實驗室已經成熟，有望在我國未來的天文觀測中獲得應用。

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