编者按：在量子物理的奇妙世界里，“真空”绝非空无一物，而是充满了转瞬即逝的虚拟粒子对，它们从真空中“借”来能量，又在刹那间湮灭。长久以来，科学家们一直试图窥探这些幽灵般的虚拟粒子如何转化为构成我们可见世界的实体物质。近日，一项突破性研究为我们打开了一扇前所未有的窗口。美国布鲁克海文国家实验室的物理学家们，利用相对论重离子对撞机，首次直接观测到虚拟粒子对在转化为实体粒子时，竟然保留了其关键的量子特性——自旋关联。这不仅是人类首次“亲眼目睹”构成物质的夸克直接源自真空涨落，更可能为理解质量与结构的起源、乃至量子信息科学开辟全新道路。让我们一起走进这项揭示“无中生有”奥秘的前沿发现。

　　纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）的物理学家们，打开了一扇窥视可见物质如何从“空无”的真空中涌现的窗口。

　　研究人员发现，从高能亚原子碰撞中产生的物质粒子，常常保留着仅存在于量子真空中转瞬即逝的“虚拟粒子”的一个关键特征——粒子自旋。

　　“这项工作为我们提供了一个观察量子真空的独特窗口，可能开启一个理解可见物质如何形成及其基本性质如何涌现的新时代，”论文作者、物理学家涂周明（孔）在一份声明中表示。

　　根据经典物理学的构想，真空是空间中完全空无一物的区域——没有能量、物质和物理场。

　　然而，在上个世纪，人们对真空有了新的理解。在量子力学框架下，真空绝非空无一物。

　　相反，现在人们认为真空中充满了波动的能量场，这些场可以短暂地形成纠缠的粒子对，即粒子与其反物质对应物，它们本质上是从真空中“借用”能量。

　　这些粒子对被认为是“虚拟”的，而非“真实”的。在大多数情况下，它们的存在转瞬即逝，随后便相互湮灭。

　　然而，在RHIC的高能质子-质子碰撞中，其中一些虚拟粒子对获得了足够的能量，成为可探测粒子的真实组成部分。

　　在这项新研究中，研究人员寻找质子-质子碰撞的一种特定产物——所谓的“Λ超子”及其反物质对应物“反Λ超子”。

　　研究团队希望确定，在RHIC碰撞后，这些粒子的自旋是否（以及在多大程度上）保持一致。

　　自旋作为一种属性，其名称有些误导性；虽然听起来像是粒子像陀螺一样旋转，但实际上，自旋是一种内在的量子属性，更像是一个标记，使粒子在角动量和磁性方面表现得仿佛在旋转。

　　Λ粒子是研究自旋的绝佳选择，因为它们自旋的方向可以从它们衰变时产生的质子或反质子的方向推算出来。

　　此外，每个Λ粒子还包含一个奇异夸克或奇异反夸克，这使得物理学家能够追溯粒子的起源。

　　当奇异夸克-反夸克对作为虚拟粒子从真空中产生时，它们的自旋总是对齐的——这与质子-质子碰撞中产生的大多数粒子不同，后者最终没有固定的自旋方向。

　　因此，如果在粒子碰撞后一同发射出的Λ和反Λ粒子具有对齐的自旋，这将为它们与源自真空的自旋对齐的虚拟奇异夸克对之间存在联系提供强有力的证据。

　　“我们正在寻找与其他所有粒子的微小差异，以发现自旋相关的Λ/反Λ粒子，”新罕布什尔大学的物理学家、论文作者扬·瓦内克在一份声明中说。

　　在梳理了数百万次质子-质子碰撞事件的数据后，物理学家们确定，当Λ和反Λ粒子在碰撞后紧挨着出现时，它们的自旋完全对齐，就像真空中的虚拟奇异夸克/反夸克对一样。

　　这表明，Λ/反Λ粒子中的奇异夸克/反夸克粒子是以纠缠对的形式出现的——保留了在真空中建立的自旋联系。

　　据研究人员称，RHIC中粒子碰撞的能量为“虚拟”粒子提供了转化为“真实”粒子所需的能量提升。

　　“这是我们首次能够直接看到构成这些粒子的夸克来自真空——这是观察量子真空涨落的一个直接窗口，”涂周明说。

　　“看到纠缠的虚拟夸克的自旋排列在转化为真实物质的过程中得以保留，这真是太神奇了。”

　　“就好像这些粒子对一开始就是量子双胞胎，”瓦内克补充道。“当它们紧挨着产生时，Λ粒子保留了孕育它们的虚拟奇异夸克的自旋排列。”

　　这种自旋联系可能反映了Λ-反Λ对之间更深层次的纠缠，这种联系甚至在粒子分离时也可能持续存在。

　　话虽如此，研究团队也指出，当Λ/反Λ对在质子-质子碰撞后相距较远时，自旋相关性就会消失。

　　“可能是这些被送到更远距离的双胞胎更多地受到环境中其他因素的影响——例如与其他夸克的相互作用——导致它们行为不同并失去联系，”瓦内克说。

　　“我们需要进一步的测量来确定这是纠缠态的混合，还是一个更经典的关联系统。”

　　无论这个问题的答案如何，量子真空中纠缠的夸克与粒子碰撞后探测到的普通粒子之间的联系，可能为我们提供了一个观察物质从量子态到经典态转变的窗口。

　　研究团队表示，这方面的见解对于量子信息科学和未来量子驱动技术的发展至关重要。

　　此外，了解夸克如何从自由运动的实体转变为质子、中子和超子等亚原子粒子的构建模块，为探索宇宙中质量和结构如何涌现的基本问题提供了一条新途径。

　　“在我们的实验中，将真空中的虚拟粒子转化为真实物质所需的能量来自RHIC的碰撞，”涂周明说。“现在，我们可以逆向工程来探索这个复杂的过程。”

　　涂周明说，这是人类面临的最大谜团之一，即“某物——我们宇宙的可见物质——如何与真空的‘虚无’联系起来。”

　　您有Newsweek应该报道的科学故事线索吗？您对粒子物理学有疑问吗？请通过 science@newsweek.com 告诉我们。

　　STAR Collaboration. (2026). Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09920-0