真空真是“空”的吗？一颗磁星验证90年量子预言

真空真的是“空”的吗？科学家们其实早有定论，那里存在着热闹的量子涨落。那它有什么观测证据呢？

2026 年8月，发表在《自然》杂志上的一项重磅研究，给出了一个有趣佐证：科学家们利用宇宙中的天然极端磁场——磁星，对真空中光的传播方式的影响，印证了这一重要现象。

真空不“空”

我们通常把真空理解为什么都没有：没有空气，没有原子，也没有任何物质。但量子电动力学给出的图景完全不同。即使把所有真实粒子都拿走，量子场仍然存在涨落。通俗地说，真空中会不断出现电子—正电子这样的虚粒子对，又在极短时间内湮灭。

上世纪30年代，维尔纳·海森堡和汉斯·欧拉进一步发现：如果外界存在极强磁场，这些原本几乎不留下痕迹的真空涨落，会表现出明显的方向性。你可以把它想象成，量子涨落产生的杂乱无章的正负电子对，被磁场“排出了方向”。结果是，真空开始拥有类似物质的光学性质。也就是说，量子场的涨落会影响光的传播，这被称为“真空双折射”。

但是，理论写出来并不等于实验能做。真空双折射极其微弱，要把它放大到现代技术可观测的程度，需要一个强得近乎离谱的磁场。地球实验室能够制造的强磁场，距离这个尺度仍差很多。于是物理学家只能把实验室搬到宇宙。

宇宙中恰好存在一种极端天体——磁星。它本质上是一颗具有超强磁场的中子星：直径只有二三十公里，质量却可以超过太阳，表面磁场能够达到地球磁场的一万亿倍左右。这样的天体，等于天然提供了人类无法建造的“量子真空实验装置”。

磁星艺术想象图。丨NASA / Pablo Garcia

验证量子涨落

磁星究竟如何检验量子真空呢？这里，我们要先厘清两个概念：偏振和双折射。

光是一种电磁波。所谓偏振，可以简单理解为光的电场在什么方向上振动。如果电场方向比较杂乱，就没有明显的线偏振；如果主要沿一个固定方向振动，我们就说它具有线偏振。

很多人会想到偏振片。对于一束光，偏振片就像一道栅栏：它允许某一方向的偏振分量通过，把另一个方向削弱或挡掉。可以看出，它主要改变的是两个偏振分量的振幅。

双折射则不同。最典型的材料是方解石。光进入方解石后，可以分解成两个相互垂直的偏振本征模式，而晶体对这两个模式的折射率不同。换句话说，两种偏振都能通过，但它们在同一块晶体里“跑得不一样快”。传播一段距离后，两者积累出不同的相位，重新叠加时，原来的偏振状态就会发生变化。

而磁星对真空的作用，就像把它变成了一块“量子方解石”。

偏振片与双折射的区别。前者改变“振幅”，后者主要改变“相位”。丨作者供图

普通真空在宏观上几乎是各向同性的，光沿哪个偏振方向传播，差别都可以忽略。但磁星的超强磁场给真空指定了一个特殊方向。于是，光的电场如果相对于磁星磁场沿不同方向振动，会感受到略有不同的量子真空响应。

这就意味着两个正交偏振本征模式拥有略微不同的有效折射率。真空因此具有了和双折射晶体类似的性质。换句话说，超强磁场把量子真空“光学各向异性化”了。

观测到了什么？

在新研究中，来自美国华盛顿大学、莱斯大学等机构的天体物理学家们，选择了一颗编号为1E1547.0-5408的磁星。它既有极强磁场，又具有明亮的X射线和射电辐射，非常适合做偏振测量。研究人员追踪了它随自转变化的射电和 X 射线偏振，发现了两类异常。

第一，它的X射线净偏振程度明显高于常规模型容易给出的水平。第二，根据磁星的磁场几何，在某些自转相位，来自不同表面区域的偏振方向本应相互抵消，使总偏振显著降低，甚至接近零；但实际观测并没有出现预期中的强烈“退偏振”。

这正是真空双折射可以发挥作用的地方。磁星表面不同位置发出的X射线，初始偏振方向并不完全一致。如果周围真空对光毫无影响，等这些光传播到远处并叠加时，彼此之间会发生较强抵消。

但在QED（量子电动力学）真空双折射存在时，两个偏振本征模式会在强磁场区域以略微不同的相速度传播，而且偏振方向会随着局域磁场结构逐渐演化。直到远离磁星后，偏振状态才“冻结”。最终结果是：来自不同区域的偏振不那么容易互相平均掉，因此地球上的探测器可以看到异常强的净偏振。

用于观测的关键设备——成像X射线偏振探测器（IXPE）卫星丨NASA

不过，值得一说的是，这个结果仍然不是“百分之百实锤”。这里必须强调一个实验上的限制：我们无法站在磁星表面测量 X 射线刚发出时的“原始偏振”，再在传播一段距离后测一次——这是最直接的检验方式。我们能看到的，只有它到达地球后的最终态。

因此科学家必须先根据磁星的大气、热点分布、磁场结构以及我们的观测方向，建立一个“如果没有真空双折射，最终应该看到什么”的模型，再和真实观测比较。现在的结果显示，加入QED真空双折射后，异常偏振能够得到更自然的解释。

但如果我们对磁星本身的磁场几何或辐射区域理解有偏差，也可能产生类似现象。因此，目前最稳妥的表述不是“海森堡和欧拉已经被彻底证明”，而是：这是支持QED真空双折射、也就是海森堡—欧拉量子真空预言的一项非常有力的天体物理证据。

结语：

这项工作的真正魅力，在于它形成了一个漂亮的物理闭环。90多年前，海森堡和欧拉从量子电动力学出发预言：真空不是完全的空，它会在极强电磁场中表现出非线性光学性质。地面实验室无法制造足够强的磁场，于是宇宙提供了一颗磁星；磁星把周围真空变成了类似方解石的双折射介质；而穿过这片量子真空的 X 射线，则把偏振信息带到了我们的探测器。

换句话说，我们没有“看到”虚粒子，也没有把真空取出来放进仪器里测量。我们看到的是光经过真空之后留下的痕迹，然后沿着这条痕迹，反推真空自身的性质。

所谓“什么都没有”的空间，也许恰恰隐藏着现代物理最深刻的结构。真空不是宇宙舞台上一块毫无内容的背景板——它本身，就是量子世界的一部分。

策划制作

作者丨韩文标 中国科学院上海天文台研究员

审核丨罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

策划丨高佩雯

责编丨王梦如