物理学家概述了见证真空粒子产生的桌面模拟实验

摘要

一群理论物理学家认为，超流氦薄膜可以作为施温格效应（Schwinger effect）的模拟系统。施温格效应是量子场论的一项预测，即足够强的场可以将真空涨落转化为真实的粒子-反粒子对。在超流薄膜中，类似的物理过程会产生涡旋-反涡旋对，这些对可以在低温实验室中产生并观察到，而无需产生电子-正电子对所需的极端电磁场。

为什么这很重要

• 实验的可及性：薄超流氦薄膜和低温技术在许多低温实验室中都是标准的，这使得直接测试比重现原始施温格情景中天文级别的场强更具实践性。
• 探测隧穿动力学：该模拟系统提供了一个受控环境，用于研究在高能或宇宙学实验中难以接触到的成核和隧穿现象。
• 跨学科洞察：由于类似的数学结构出现在量子场论、凝聚态物理和宇宙学中，桌面观察可以为早期宇宙演化和相关的非平衡现象模型提供信息。

关键理论进展：可变涡旋质量

实验可能的模样

在实验室实施中，薄超流氦薄膜将在受控条件下冷却和准备，并施加随时间变化的驱动或梯度，以产生类似于强场的有效力。在这种条件下，薄膜可以使束缚的涡旋-反涡旋对成核；它们的产生和动力学可以使用现有的、对流动、密度变化或局部激发敏感的低温成像和诊断技术来检测。

局限性与警告

模拟系统再现了关键的数学特征，但并未复制量子电动力学的所有物理要素。超流体缺乏电荷、相对论色散以及电子和正电子的其他属性，因此定量推导电子-正电子的产生并不是直接的。该提议作为真空隧穿的模拟，以及对理解涡旋动力学在凝聚态物质中的贡献，都具有重要价值。

前景

该提议为研究凝聚态系统中的隧穿驱动成核提供了一条具体的、实验上可行的途径。成功的观测将测试非平衡场动力学的各个方面，并可能加强实验室实验与更广泛的量子场现象之间的联系。