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根據我們的生活經驗，一個人不可能不勞而獲。 但在量子領域，確實有可能從無到有地創造出一些東西。
理論上，施溫格效應表明，在足夠強的電場存在下，（帶電）粒子及其反粒子將從量子真空（真空空間本身）中剝離而成為現實。 這一預測由 于 1951 年提出，并首次在使用量子模擬系統的桌面實驗中得到驗證。
關鍵點
任何說“你不能從無到有創造出東西”的人一定沒有學過量子數學。 只要你擁有終極虛無的物理虛空，只要以正確的形式操縱它，就必然會導致某些東西出現。 在真空中碰撞兩個粒子有時會產生額外的粒子-反粒子對。 拿一個介子，嘗試從反夸克中撕下一個夸克，一組新的粒子-反粒子對將從它們之間的間隙中被拉出。 理論上，即使根本不存在任何原始粒子或反粒子，足夠強的電磁場也可以將粒子和反粒子從真空中拉出。
一度，人們認為需要所有粒子中最高的粒子能量才能引起這種效應：這些粒子能量只能在高能粒子化學實驗或極端天體化學環境中獲得。 但在 2022 年初，科學家們利用石墨烯的獨特性質，在一個簡單的實驗室裝置中創造了一個足夠強的電場，從頭開始自發地形成粒子-反粒子對。 這些預測早于 70 年：可以追溯到量子場論創始人之一朱利安·施溫格 ( )。 施溫格效應現已得到證實，它告訴我們宇宙實際上是如何從無到有的。
這張粒子和相互作用圖詳細說明了標準模型的粒子如何根據量子場論描述的三種基本力相互作用。 當重力加入其中時，我們就得到了我們所看到的可觀測宇宙，以及我們所知道的定理、參數和常數支配著它。 暗物質、暗能量等謎團一直存在。
在我們居住的宇宙中，確實不可能以任何令人滿意的方式創造出“無”。 從根本上講，存在的一切都可以分解為無法進一步分解的個體實體——量子。 這些基本粒子包括夸克、電子、電子的較重近親μ子和τ、中微子及其所有反物質對應物，以及光子、膠子和重玻璃骰子：W+、W-、Z0和希格斯粒子。 但即使你把它們全部拿走，剩下的“空白空間”在許多數學意義上并不完全是空的。
一方面，雖然沒有粒子，但量子場仍然存在。 正如我們很難從宇宙中搶奪數學定理一樣，我們也很難從宇宙中搶奪彌漫在宇宙中的量子場。
另一方面，無論我們將任何物質源連接多遠，兩種遠程力的影響仍然存在：電磁力和重力。 即使我們可以通過巧妙的設置來確保某個區域的電磁場硬度為零，但對于重力我們卻無法做到這一點； 在這方面，空間不可能是任何真正意義上的“完全空”。
太空中的天體三維網格會讓原本“直”的線條被彎曲一定量。 無論距離粒子有多遠，空間的曲率永遠不會達到零，而是保持不變，即使在無窮遠也是如此。
但是，當您將空間區域中的電場和磁場完全歸零時，您還可以進行實驗來證明光線昏暗的空間并不低。 盡管你創造了一個完美的真空，沒有所有類型的所有粒子和反粒子，并且電場和磁場為零，但從數學的角度來看，這個區域似乎存在于化學家所說的“最大虛無”中
您所需要做的就是在該空間區域中放置一組平行的導電單元。 你可能實際上認為它們之間所經歷的唯一力是重力，由它們相互的引力決定，但最終發生的情況是，藍籌股之間的吸引力比重力預測的要強得多。
這些化學現象被稱為卡西米爾效應，史蒂夫在 1996 年證明了它們，也就是它們被估計和提出 48 年后。
（圖片來源：Emok/）
此處所示的兩個平行導電單元的卡西米爾效應排除了導電單元內部的各個電磁模式，同時允許它們位于板之外。 結果，正如 20 世紀 40 年代的預測和 90 年代的實驗所證實的那樣，藍籌股相互吸引。
同樣，1951 年，描述電子和電磁力的量子場論聯合創始人朱利安·施溫格 ( ) 給出了如何從無到有創造物質的完整理論描述：只需施加一個大電場。 盡管這個想法早在 20 世紀 30 年代就被其他人提出，包括 Fritz 和天體物理前景，但它也被稱為效應，因為他自己做了艱巨的工作來準確量化這些效應在什么條件下應該出現。
一般來說，我們期望真空中的量子漲落：可能存在的任何和所有量子場的爆發。 海森堡的不確定性原理指出，單個數字不能以任意精度串聯已知，包括：
事實上，我們通常只用前兩個實體來表達不確定性原理，但其他應用可能會產生同樣深遠的影響。
該圖說明了位置和動量之間固有的不確定性關系。 當一個人被更準確地了解時，另一個人本質上就不太可能被準確地理解。 每一次精確的檢測都確保了相應補充量的更大不確定性。
回想一下，對于任何存在的力，我們可以用場來描述該力：其中粒子上的力是其電荷除以場的各個屬性。 如果粒子穿過場非零的空間區域，它會受到取決于其電荷和（有時）其運動的力。 場越強，力就越大，場越強，該特定空間區域中存在的“場能”就越大。
而在純空的空間中，即使沒有外部場，在任何這樣的空間區域中仍然會存在一些非零量的場能量。 如果量子場無處不在，那么簡單地根據海森堡的不確定性原理，對于我們選擇檢查該區域的任何持續時間，該區域在該時間段內表現出本質上不確定的能量量。
我們觀察的時間越短天體物理前景，該區域能量的不確定性就越大。 將其應用于所有允許的量子態，我們可以開始想象波動場，以及由于宇宙所有量子力而突然出現和消失的波動粒子-反粒子對。
量子場論估計的可視化顯示了量子真空中的虛擬粒子。 （特別是對于強相互作用。）雖然在真空中這些真空能量也不為零，但從觀察者的角度來看，彎曲空間區域中看似“基態”的曲率具有不同的曲率。 只要量子場存在，這些真空能量（或宇宙常數）也必然存在。
現在，讓我們想象一下打開電場。 把它調得越來越高，會發生什么？
讓我們從一個更簡單的例子開始，假設已經存在一種特定類型的粒子：介子。 介子由夸克和反夸克組成，它們通過強力和膠子交換相互連接。 夸克有六種不同的性質：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克，而反夸克只是每種性質的相反版本，具有相反的電荷。
介子中的夸克-反夸克對有時具有相反的電荷：+?和-?（下、粲和底）或+?和-?（上、奇和頂）。 如果對這樣的介子施加電場，正負兩端都會被拉向相反的方向。 如果場足夠強，就有可能將夸克和反夸克彼此拉得足夠遠，從而使新的粒子-反粒子對從它們之間的間隙中撕裂。 當這些事情發生時，我們最終會得到兩個而不是一個μ子，而形成額外質量（通過E=mc2）所需的能量來自首先將μ子撕裂的電場能量。
（圖片來源：The/LBNL/）
當介子的兩個組成粒子（例如此處所示的粲-反粲粒子）被拉得太遠時，從能量上講，有利于從真空中撕裂出一對新的（輕）夸克/反夸克，并形成兩個曾經有一個介子的介子。 對于壽命足夠長的μ子來說，足夠強的電場可以誘導發生這種情況所需的能量，從底層電場中形成更大質量的粒子。
現在，考慮到所有這些背景，讓我們想象一下我們有一個非常非常強的電場：比我們希望在月球上創造的任何電場都強。 某種東西的強度如此之大，足以吸收由大約 1019 個電子和質子組成的完整庫侖電荷，并將它們中的每一個聚集成一個小球，一個正電荷和一個純負電荷，并將它們分開僅一米。 該空間區域的量子真空將極度極化。
強極化意味著正電荷和負電荷之間的強烈分離。 如果空間區域有足夠強的電場，那么當你創建所有最輕的帶電粒子（電子和正電子）的虛擬粒子-反粒子對時，這些對被足夠大的數量分開的機會是有限的，因為它們不能再因電場力而相互湮滅。 相反，它們變成了實際的粒子，從底層電場中竊取能量以保存能量。
結果，新的粒子-反粒子對開始存在，并且從 E=mc2 開始，制造它們所需的能量會適當增加外部電場的硬度。
（圖片來源：Derek B.）
該 QCD 可視化說明了由于海森堡不確定性，粒子/反粒子對如何在短時間內從量子真空中噴射出來。 量子真空很有趣，因為它要求真空本身不是那么空，而是充滿了量子場論描述我們的宇宙所需的所有粒子、反粒子和每種狀態的場。 把它們放在一起，你可以看到小空間的能量為零，實際上小于零。
這就是施溫格效應，毫不奇怪，它從未在實驗室環境中觀察到。 事實上，理論上它唯一可能發生的地方是宇宙中存在的最高能量的天體化學區域：黑洞和中子星周圍（甚至內部）的環境。 但由于我們與最近的黑洞和中子星之間存在巨大的宇宙距離，因此這仍然是猜想。 我們在月球上創造的最強電場是在激光設施中，雖然我們使用最強、最強的激光來實現最短的脈沖時間，但我們離這個目標還很遠。
一般來說，只要有導電材料，只有“價電子”可以自由交流，從而有助于導電。 但如果你能獲得足夠大的電場，你就能讓所有電子加入電子流。 2022 年 1 月，紐卡斯爾學院的研究人員借助涉及石墨烯的復雜而巧妙的裝置，在相對較小、可通過實驗實現的磁場中實現了這一目標。石墨烯是一種非常堅固的材料，由以幾何最佳狀態結合在一起的碳原子組成。 在此過程中，他們還目睹了施溫格效應的作用：在這個量子系統中電子-正電子對類似物的形成。
石墨烯具有許多有趣的特性，其中之一是其獨特的電子能帶結構。 存在導帶和價帶，它們可以與零帶隙重疊，從而允許空穴和電子出現和流動。
石墨烯在很多方面都是一種奇怪的材料，其中之一是它的薄片實際上表現為二維結構。 通過減少（有效）維度的數量，3D 材料中存在的許多自由度被消除，內部量子粒子的選擇要少得多，同時也減少了它們可以搶占的量子態集。
借助稱為超晶格的石墨烯結構，這項研究的作者應用了電場并引發了上述行為：其中，除了來自最高部分搶占能態的電子之外，電子也作為材料傳導的一部分流動，但來自較低的完全填充能帶的電子也加入了流動。
當這種情況發生時，這些材料會表現出許多奇怪的行為，但這是第一次被發現：施溫格效應。 它不是形成電子和正電子，而是形成它們會聚的類似物：空穴，其中晶格中“缺失”的電子以與電子流動相反的方向流動。 解釋觀察到的電壓的唯一方法是利用電子和“空穴”自發形成的這些額外過程，其細節與施溫格早在 1951 年的預測一致。
原子和分子構象的可能組合幾乎有無數種，但任何材料中發現的特定組合決定了其特性。 石墨烯是這里顯示的單個單原子材料片，是人類已知的最硬的材料，成對的石墨烯可以產生一種稱為超晶格的材料，具有許多復雜且違反直覺的特性。
研究宇宙的方法有很多，在量子模擬系統中，描述一種原本難以接近的化學狀態的物理原理應用于可以在實驗室中創建和研究的系統，這是我們擁有的一些最強大的奇異化學探測器。 很難預見如何以純粹的形式測試施溫格效應，但由于石墨烯的極端特性，包括其承受巨大電場和電壓的能力，它可以以任何方式出現：這種特殊的量子系統。 正如專著作者 Kumar 博士所說：
“當我們第一次看到超晶格元素令人驚訝的特性時，我們想‘哇......這可能是某種新型的超導性’。雖然這些反應與超導體中經常觀察到的反應非常相似，但我們很快發現令人驚訝的行為不是超導性，而是天體化學和粒子化學領域特有的東西。看到如此遙遠的學科之間有如此相似之處真是令人好奇。”
電子和正電子（或“空穴”）幾乎是無中生有，只是被電場本身從量子真空中扯出來，這是看似不可能的宇宙證明的另一種形式：我們真的可以無中生有！
#頭條創作挑戰#?