近90年前，维尔纳·海森堡预测了一种奇特的量子效应，称为真空双折射，即看似空的空间可以改变光的行为。根据这一理论，即使是完美的真空也不是真正的空的。相反，它应该包含“虚粒子”，这些粒子会短暂地出现并消失。尽管自上世纪30年代以来核物理学取得了重大进展，并且经过几十年的粒子加速器研究，科学家们仍然无法确凿地证实这一效应。现在，对宇宙中最极端天体之一的观察可能为研究人员提供他们一直寻求的证据。一组科学家研究了一颗磁星，这是一种稀有的中子星，其磁场是已知最强的之一。他们的结果可能代表了真空双折射的首次证据，并可能为在无法在地球上重现的条件下研究量子物理开辟新的途径。量子物理的宇宙试验这项研究涉及来自空间科学与技术中心、南非射电天文学观测台（SARAO）、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国宇航局马歇尔航天飞行中心、空间科学与技术研究与探索中心（CRESST）以及美国宇航局戈达德航天飞行中心的天体物理科学部的科学家，还有来自全球各地的大学。乔治·华盛顿大学的物理研究生瑞切尔·E·斯图尔特领导了这项研究，研究结果最近发表在《自然》杂志上。理论预测，当真空暴露于异常强大的磁场时，海森堡的虚粒子会影响光的传播方式，产生真空双折射（VB）。挑战在于，强到足以使这一效应可检测的磁场远远超出科学家在地球实验室中能够产生的任何磁场。磁星提供了一个自然的解决方案。来自斯温本科技大学天体物理与超级计算中心的澳大利亚研究委员会DECRA研究员马库斯·洛维尔博士，帮助领导了本研究中的观察工作。洛维尔表示：“检测真空双折射需要的磁场强度是我们在地球上制作的任何磁场的1亿倍以上。幸运的是，自然为我们提供了磁星，它们是寻找这种效应的完美宇宙实验室。”观察极端磁星洛维尔领导了对磁星1E 1547.0-5408（1E1547）的观察，使用了CSIRO的Murriyang（即派克斯）射电望远镜。随后将获得的数据与斯温本科技大学的Ngarrgu Tindebeek超级计算机结合进行分析。研究人员将这些观察结果与来自美国宇航局成像X射线偏振探测器（IXPE）和国际空间站上NICER X射线望远镜的测量数据相结合。在监测1E1547的射电发射时，他们跟踪了波动的方向（它们的“偏振状态”），随着磁星的旋转而变化。这些测量显示，磁星的磁轴和旋转轴几乎对齐。它们还揭示观察者几乎以南极的视角观察该天体。这些特征使1E 1547特别适合寻找真空双折射。X射线揭示可能的量子特征来自磁星的X射线（由IXPE探测）显示出极高的偏振。研究人员还发现，该偏振的方向与1E 1547的磁场保持一致，正如其射电波一样。这两个观察结果被认为是真空双折射可能发生在磁星周围的迹象。洛维尔解释道：“由于磁场的强度，海森堡的虚粒子会与磁场指向的方向对齐。通过仔细跟踪射电波和X射线在磁星旋转时的振荡方向，研究小组发现1E1547的磁极和旋转极的对齐非常理想，可以检测到真空双折射。有了这些未来的数据和我们更新的模拟，我们可能最终能够完成海森堡近90年前开始的探索。”仍需更多证据额外的观察和更先进的计算机模拟可以帮助研究人员确定信号是否真的来自真空双折射，或者其他物理过程是否能够产生类似的效应。如果结果得到确认，这将为科学家提供一种强大的新方法，以在宇宙中最极端的环境中测试量子物理，并可能帮助揭示基本物理理论在远超地球上任何可实现的磁场下的表现。