【科學講堂】真空透支能量 憑空跳出粒子

「真空」這個概念，大家應該起碼在使用「真空吸塵機」時接觸過：一個完全真空的狀態，其氣壓會是零，因此周圍的空氣就會被吸向真空的區域，繼而發揮吸塵的功效。表面上來看，真空的區域之中應該「空無一物」，然而專門處理微觀世界的量子理論卻告訴我們，這個叫作「真空」的狀態其實熱鬧非常！今次就與大家探討一下當中的科學。

只要總電荷是零 可生出正負電子

「真空」究竟是什麼？我們可以想像這樣製造出一個真空的狀態：將一個空間密閉起來，禁止物料從外界隨意進入，然後再逐個粒子將空間中的物料（比如說空氣）從空間中移除；當最後的粒子也被移除之後，這個空間就變成一個真空的狀態了。從另一個角度來看，真空就是一個能量低得不能再低、沒有足夠能量生成新粒子的狀態。

不過這個「沒有足夠能量生成新粒子」的描述，到了微觀的量子世界，卻與我們熟知的日常規律有點兒不同。量子世界的不確定性原理告訴我們，縱然我們沒有足夠的能量，量子世界其實容許我們暫時「透支」去產生新的粒子。也就是說縱然是真空的狀態，亦可以憑空「跳出」一顆電子跟一顆正電子。正電子是電子的反粒子，除了電荷相反以外，正電子在其他方面（例如質量）與電子沒有分別。真空中「跳出」一顆電子跟一顆正電子，其實是電荷守恒的結果：一顆電子跟一顆正電子的總電荷是零，正好和本來不帶電荷的真空一致。

研究能量透支 間接認識新粒子

能夠從真空中跑出來的，其實不只限於一對正電子和電子：理論上來說，跑出來的可以是一個質子與一個反質子，甚至是一顆金原子跟它的反粒子。到了這裏大家或者會覺得不可思議，因為真的好像從來沒有見過黃澄澄的金子（和它的反粒子）從虛空中「無中生有」地掉出來。這是因為不確定性原理的一個很重要的條件還沒有被說出來：如此的「能量透支」雖然可行，但只能維持一段短暫的時間。也就是說真空的確是可以憑空製造出一雙電子和正電子，但這個狀況不可以維持太久，很快這顆正電子就必須和那顆電子組合，重新回復空無一物的狀態。而且要「透支」的能量愈多，這種「能量透支」可以維持的時間就愈短；也就是說金子與反金子是真的可以從真空中突然出現，但它們出現的時間會比曇花一現更為短暫。這也就是為什麼在平常生活中，我們好像都沒有經歷過這些「能量透支」現象的原因。

不確定性原理導致的這種現象，有一層頗有趣的意義：較重的、平常不常見，甚至我們不知道的粒子，其實並非與我們完全割裂；它們也存在於我們身邊的空間之中，參與各種大自然的活動，只不過它們出現的時間短暫，所造成的影響微小，不容易被我們發現而已。不過，這也為探索新粒子的科學家提供了另一個研究的方法：經常在報章新聞上聽到的粒子加速器，經由加速粒子來為它們注入高能量，好讓它們在互相碰撞的時候可以有足夠的能量去產生較重的新粒子。這是一個直接製造、研究新粒子的方法。以上提到的「能量透支」現象，卻代表一個間接認識新粒子的方法：縱然我們沒有足夠的能量去製造這些新粒子，但它們微細的影響還在，只要我們細心地累積大量的數據，再仔細研究，也可以從中找出新粒子的各種特徵。在科學家們正為是否能建造更大的粒子加速器而猶豫的時候，這個間接的方法也會是一個很重要的方向呢。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。