从无到有——物理学家模仿“不可能”的施温格效应
超流氦揭示了施温格效应的可管理模拟物。它加深了对涡旋和量子隧道效应的理解。
1951年，物理学家朱利安·施温格提出，对真空施加恒定电场可以导致电子-正电子对自发出现，这一过程称为量子隧道效应。
为什么这不能从无到有 为《星际迷航》复制器或运输车提供动力？所需的电场将非常大，远远超出任何直接实验室实验的范围。
由于这种限制，这种被称为施温格效应的现象从未被直接观察到。
超流体氦作为实验类似物
不列颠哥伦比亚大学 （UBC） 的物理学家现在概述了一种更容易研究的系统中的相关效应。在他们的方法中，一层薄薄的超流体氦取代了真空，而超流体的流动运动则扮演了巨大电场的角色。
“超流体氦-4 是一个奇迹。在几个原子层厚的地方，它可以很容易地冷却到基本上处于无摩擦真空状态的温度，“UBC 研究凝聚态和量子引力的理论家 Philip Stamp 博士解释道，他的新发现发表在 2025 年 9 月 1 日的 PNAS 上。
“当我们使无摩擦真空流动时，涡旋/反涡流对将自发出现，而不是电子-正电子对出现，并以相反的方向旋转。”
绘制理论和实验图
在这篇论文中，Stamp 博士和 UBC 同事 Michael Desrochers 概述了理论及其背后的数学原理——制定了进行直接实验的详细方法。
真空隧道效应是量子力学和量子场论中引起人们浓厚兴趣的过程。在量子理论中，真空不是空的，它们充满了波动场，这些场可能导致虚拟粒子的暂时出现和消失。
“我们相信氦 4 薄膜为几种宇宙现象提供了一个很好的模拟，”斯坦普博士补充道。“深空的真空、量子黑洞，甚至是宇宙本身的开端。这些都是我们永远无法以任何直接的实验方式接近的现象。
超越类似物，进入超流体物理学
然而，斯坦普博士强调，这项工作的真正兴趣可能不在于类似物——它总是有局限性——而更多地在于它改变了我们对超流体和二维系统相变的理解。
“这些本身就是真实的物理系统，而不是类似物。我们可以对这些进行实验。
在数学层面，研究人员需要一些突破才能使理论发挥作用。例如，以前研究超流体涡流的研究人员将涡流质量视为不变的常数。斯坦普博士和德罗彻斯表明，随着涡旋的移动，这种质量会发生巨大变化，从根本上改变我们对流体和早期宇宙中涡流的理解。
“了解质量如何以及为什么变化，以及这如何影响我们对量子隧道过程的理解是令人兴奋的，这些过程在物理、化学和生物学中无处不在，”Desrochers 说。
斯坦普还认为，在施温格效应中，电子-正电子对将出现相同的质量变异性，从而修改施温格的理论，这是一种“模拟的报复”。
参考文献：“二维 4He 超流体薄膜中涡流的真空隧道效应”，作者：M. J. Desrochers、D. J. J. Marchand 和 P. C. E. Stamp，2025 年 9 月 2 日，美国国家科学院院刊。