摘要：在量子物理的世界里，虚空从来都不是“空”的。1951 年，理论物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）提出，在足够强烈的电场作用下，量子真空中会自发诞生电子-正电子对，这一被称为“施温格效应”（Schwinger effect）的奇异现象，长

在量子物理的世界里，虚空从来都不是“空”的。1951 年，理论物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）提出，在足够强烈的电场作用下，量子真空中会自发诞生电子-正电子对，这一被称为 “施温格效应”（Schwinger effect） 的奇异现象，长期以来只存在于纸面计算和理论推演中，因为实验所需的电场强度远超人类目前的技术极限。

如今，加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）的理论物理学家们，找到了一条巧妙的“替身”路径。在最新发表于 《美国国家科学院院刊》（PNAS） 的研究中，UBC 理论物理学家 Philip Stamp 与同事 Michael Desrochers 提出，用一层原子级厚度的 超流氦-4 薄膜，模拟出真空隧穿的环境。他们发现，在这种超薄液膜中，流动的超流体就像强电场，而虚空中跃迁生成的电子-正电子对，则被替换为自发生成的 “涡旋/反涡旋对” ——两股旋转方向相反的量子旋涡，在流体中凭空出现。

Stamp 表示：“超流氦-4 是一个奇迹。在几层原子厚度的尺度下，它几乎就是一个无摩擦的‘真空态’。当它流动起来，量子世界的奇异图景就自然显现。”

20 世纪初，量子力学打破了经典物理学的确定性世界观，揭示了微观世界的奇妙规律。其中最令人震撼的概念之一，便是 量子隧穿效应（Quantum Tunneling）。

在经典物理中，粒子若没有足够能量，就无法跨越能量屏障；但量子力学告诉我们，粒子可以凭借概率波的特性“穿透”屏障，出现在原本无法到达的区域。

这一理论首先在核物理领域得到印证。1928 年，乔治·伽莫夫（George Gamow） 及其同事用量子隧穿解释了 α 衰变 现象，为量子理论写下了浓墨重彩的一笔。此后，隧穿效应被广泛应用于半导体物理、超导技术，乃至现代芯片设计之中。

真空的量子本质

随着量子场论的发展，科学家们逐渐认识到，“真空”并非一无所有，而是充满了能量涨落和虚拟粒子的海洋。这一认识源于 狄拉克海（Dirac Sea） 的概念，也与海森堡的不确定性原理密切相关。

在这种背景下，施温格于 1951 年提出，若在真空中施加足够强的均匀电场，能量波动会“撕开”真空，产生真实的电子-正电子对。这一现象后来被命名为 施温格效应（Schwinger Effect）。

然而，施温格效应的实验验证一直是物理学界的“圣杯”：实现这一过程所需的电场强度高得惊人，远远超出了人类目前的实验能力。几十年来，这一理论只能存在于方程和模拟中，成为量子物理的一个经典未解难题。

为了接近这个高不可攀的现象，物理学家们转向寻找“类比系统（Analog Systems）”。这种策略的核心思想是：在更易操控的实验环境中，重现类似的物理机制。

超流体氦-4，便是这样的理想候选者。超流氦是一种 宏观量子态，其特性包括零黏度、量子涡旋以及极高的相干性。在二维薄膜条件下，氦-4 更接近一个理想化的“无摩擦真空”，使科学家得以模拟极端条件下的量子行为。

UBC 团队此次工作的关键创新，集中在数学建模层面。

长期以来，物理学界在研究超流体中的量子涡旋时，往往假设 涡旋的质量是固定不变的常数。这种近似简化了计算，但也掩盖了超流体体系中更深层次的动力学规律。

Philip Stamp 和 Michael Desrochers 打破了这一传统假设，提出 涡旋的质量并非恒定，而是随着运动状态动态变化。这种质量的剧烈波动，不仅改变了涡旋在二维超流体中的行为模式，也对我们理解量子隧穿过程提出了全新的视角。

Stamp 解释说：“我们发现，涡旋的质量会随着它们的运动显著变化。这一结果不仅影响了对超流体的研究，也为更广泛的量子隧穿现象提供了新的理论框架。”

这项研究的特别之处在于，它并不仅仅停留在“类比”的层面。在论文中，研究团队不仅构建了完整的理论框架，还提供了清晰可行的实验路径：通过在二维超流氦薄膜中建立受控流场，直接观察自发生成的 涡旋/反涡旋对。

UBC团队的工作，也为探索宇宙早期演化提供了全新视角。在极端条件下，量子真空中的粒子对生成，与超流体中的涡旋/反涡旋对生成，存在惊人的数学映射。这意味着，在二维超流体的微观实验中，科学家可以获得对 黑洞物理、宇宙暴胀时期量子涨落 等宏观宇宙现象的类比理解。这是一条通向“实验宇宙学”的捷径。

来源：老胡科学一点号