在80年后最终确认了海森堡的天体物理学预测

 撰稿人 Ethan Siegel,

 Feb2, 2017 @ 10:00 AM

 

   从一声爆炸开始

  宇宙就在那里，等待着你去发现它。

  从一声爆炸开始致力于探索我们知道这个宇宙的以及我们怎样知道它的，重点放在物理学、天文学和宇宙告诉我们关于它自己的科学故事。由博士科学家们撰写并由天体物理学家爱善· 西格尔编辑创建的，我们的目标是分享科学发现的喜悦、惊奇和敬畏。

  由福布斯撰稿人表达的意见都是他们自己的。

  

 来自一个中子星表面的光由于真空双折射现象能被它穿过的强磁场极化。在这里地球上的探测器能测量极化光的有效的旋转。Imagecredit: ESO/L. Calçada.

  我们宇宙本质上是量子的发现带来了大量的直观的后果。你测量一个粒子的位置越好，它的动量越不能被根本的确定。一个不稳定粒子生存的越短，越不能从根本上知道它的质量。固体，物质对象展示类似波的特性。也许最令人困惑的是，空的空间------有它的物质和辐射全被去掉的空间------不是空的，而是相当充满着虚粒子和反粒子的对的。80年前，物理学家维尔纳·海森堡（他确定了两个根本的不确定性关系）与汉斯·欧拉一道预测了因为这些虚拟的粒子，强磁场应影响传播过真空的光的。由于中子星天文学，那个预测刚被证实了。

中子星，尽管大多是由中性粒子构成的，产生宇宙中最强的磁场。 Image credit: NASA / Casey Reed -Penn State University.

我们可能相当字面上取"中子星"的名称并假设它完全由中子构成的，但这并非完全正确的。中子星外部的10%主要由质子和甚至电子组成的，这能没有被挤压在表面稳定存在的。因为中子星旋转的非常快------比光速快10%------这些带电粒子总是处于运动中的，意味着它们产生电流和磁场的。磁场本身应该以不同的方式影响在空旷的空间出现的粒子/反粒子，因为它们具有相反的电荷。如果你让光线通过那个空间的区域，取决于这个场它应该被极化。

 

 在实验室条件下直接激光脉冲实验寻求来测量这个真空双折射，但到目前为止一直不成功。Imagecredit: Probing vacuum birefringence under a high-intensity laserfield with gamma-ray polarimetry at the GeV scale, by YoshihideNakamiya, Kensuke Homma, Toseo Moritaka, and Keita Seto, viahttps://arxiv.org/abs/1512.00636.

这种效应被称为真空双折射，随带电粒子被强磁场线在相反的方向猛拽发生。因为这个效果以磁场强度的平方度量，它使来看中子星的这种效果有意义的。虽然地球的磁场是大约100微特斯拉，我们在地球产生的最强的磁场大约只是 100特斯拉︰强的，但还不足够强。但对有极端条件的中子星，大区域的空间包含超过10 ^8 特斯拉的磁场，使这个成为一个要看的理想的地方。

 

 围绕非常微弱的中子星RX J1856.53754的区域的VLT图像。由爱善.西格尔添加的蓝色圆圈显示中子星的位置。Imagecredit: ESO.

虽然从这个中子星表面发出来的光不是很多的，但散发出的光一定在它到我们的望远镜、探测器和眼睛的途中通过强磁场。因为空间展示这个真空双折射效应，穿过它的光线会被极化，并且它应该表现出一个同一的极化的方向。通过用在智利的甚大望远镜测量来自非常微弱的中子星RXJ1856.53754的光，一个由罗伯托米格纳尼领导的团队得以首次测量极化角度。实际数据显示一个很大的影响︰一个约15%左右的极化。

 

围绕中子星RXJ1856.53754的极化测量。Image credit: Figure 3from Evidence for vacuum birefringence from the first opticalpolarimetry measurement of the isolated neutron star RXJ1856.5−3754,R.P. Mignani et al., MNRAS 465, 492 (2016)

如果你做这个真空双折射应该是的效果的计算并减去它，如作者们做的，你能清楚的看到它说明几乎所有的极化。数据和预测几乎完美的吻合。

 

没有真空极化的影响，实际上几乎没有信号会可见的。这个数据和理论相匹配。 Image credit: Figure 3from Evidence for vacuum birefringence from the first opticalpolarimetry measurement of the isolated neutron star RXJ1856.5−3754R.P. Mignani et al., MNRAS465, 492 (2016).

对这种测量方法这个中子星------而不是其它的------是如此完美的的原因是大多数的中子星让它们的表面被致密、充满等离子体的磁层模糊了。例如，如果我们试着来看在蟹状星云的脉冲星，我们根本没有机会做这个观察的。环绕它的区域只是对我们想要测量的光的类型不透明的。

回到1936年海森堡和欧拉做出了这个预测，并直到现在它已完全没被测试过的。由于这颗脉冲星，我们有随这个磁场让它的传播被量子物理学影响的在相同方向极化的光的确认、完全与量子电动力学预测的吻合。一个80多年前的理论预测给海森堡的羽毛帽添加另一枚羽毛，对他的简历他现在能被添加追授"天体物理学家"。但将来通过在x射线中看RXJ1856.53754能甚至更强的确认真空双折射。

 

 来自欧洲航天局未来的雅典娜X射线望远镜。Image credit: MPE andthe Athena team.

今天我们没有一个能够测量X射线极化的空间望远镜，但欧空局的即将到来的雅典娜使命将做那样的事。而相对这个可见光展示的 ~15%的极化，X射线应该是~ 100%极化的。雅典娜目前定于在2028年发射，结合巨大的像巨型麦哲伦望远镜和ELT地面观测站，对许多这种中子星应提供这个确认的。这是另一个直观而又迷人的量子宇宙的胜利。

    参考:来自孤立的中子星 RX J1856.5−3754的真空双折射的首次光学极化测量的证据( Reference: Evidence for vacuumbirefringence from the first optical polarimetry measurement of theisolated neutron star RX J1856.5−3754, R. P. Mignani, V. Testa, D. Gonzalez Caniulef,R. Taverna, R. Turolla, S. Zane and K. Wu, MNRAS 465, 492(2016)).

天体物理学家和作者爱善· 西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家在Twitter, Facebook, G+,Tumblr跟着他,并订他的书︰ 超越银河，今天！

http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/02/02/heisenbergs-astronomy-prediction-comes-true-after-80-years-of-waiting/#5ac489692441