——从真空双折射现象谈光子有自旋磁矩的可能性

司今（jiewaimuyu@126.com）

光的双折射现象首先由丹麦科学家Rasmus Bartholin在1669年描述，他观察到方解石是一种具有最强双折射的晶体。 然而，直到19世纪，奥古斯丁·菲涅尔才描述了极化现象，把光作为横向极化中的场分量（垂直于波矢的方向）的波来理解。

这种解释认为，光是电磁波，这种波是由相互垂直的电矢量E波和磁矢量H波组成，并沿与光传播方向垂直的方向以恒速c运动，这说明光波也具有电和磁二种物理属性。

实验表明，产生光作用和感官作用的是光波中的电矢量E，所以我们在讨论光作用时，只考虑电矢量E的振动就可以了，E就被定义为光矢量，代表光的振动方向，光的偏振性体现的就是光电矢量方向的一致性。

当任意光束照射到双折射材料的表面时，对应于普通和非凡光线的极化通常采取一些不同的路径。非偏振光由任何两个正交偏振中的等量的能量组成，甚至偏振光（特殊情况除外）在这些极化的每一个中将具有一些能量。根据Snell的折射定律，折射角将由这两个极化之间的有效折射率决定。例如，在Wollaston棱镜中可以清楚地看出，其被设计成使用诸如方解石的双折射材料将入射光分离成两个线性偏振。

两个偏振分量的不同折射率如图1所示，光轴沿着表面（并垂直于入射平面），使得折射角不同于p极化（在这种情况下为“普通光线”，其偏振垂直于光轴）和s偏振（“沿光轴具有偏振分量的”非凡光线“）。另外，在光轴不沿着折射表面（也不完全垂直于其）的情况下，发生双重折射的不同形式；在这种情况下，双折射材料的电极化不是精确地在非常光线的波的电场方向上。对于这种不均匀的波，功率流的方向（由坡印亭矢量给出）与波矢的方向成有限的角度，导致这些波束之间的额外分离。因此，即使在正常入射的情况下，其中折射角为零（根据斯涅耳定律，无论有效的折射率如何），非凡光线的能量可以以一定角度传播。

　“真空双折射”是在100年前由量子理论提出的，刚提出不久，德国物理学家维尔纳·海森堡和汉斯·海因里希·欧拉便对真空双折射效应做出了预测，他们提出，强大的磁场可能会改变恒星周围真空的特性，导致光线穿过时会发生偏振现象。

据新浪科技讯 北京时间2016年12月3日消息，据国外媒体报道，近日，意大利国家天体物理研究所和波兰绿山城大学的天文学家在使用欧洲南方天文台的甚大望远镜研究一颗遥远的中子星发出的光线时，首次观测到了这种偏振现象。

　“在强大的磁场影响下，真空的性质会发生巨大的变化。”意大利帕多瓦大学的罗伯托·杜罗指出，“电磁辐射和可见光在穿过处于强大磁场中的真空时，便会发生偏振，转化为两种不同的模式：平常模式（o光）和反常模式（e光）。”

但对于意大利国家天体物理研究所（INAF）和波兰绿山城大学的天文学家首次观测到了这种真空双折射现象，目前物理学家们不是从电磁波极化理论给出解释，而是从量子力学“真空涨落”理论方面给予解释的，他们认为：量子电力学（简称QUE）是描述光子与带电粒子之间相互作用的量子理论。该理论指出，太空真空中充满了虚粒子，随时会出现或消失，但这些虚粒子可以在强大的外磁场作用下转变成实粒子，即形成e式光子运动……

这种解释也可以看作是“光是粒子”的解释，但这种粒子不是实光子，而是人们永远无法看到和测到的“虚光子”。

在现代物理学中，光的粒子论认为，光子运动速度都是常数c，它们没有静质量，但有轨道和自旋角动量，其自旋态为1，并表现出动量性，并且每个光子所就有的能量为ε=hγ，并且光子运动具有波粒二象性的特质。

而且，现代物理学还认为，光子是中性粒子，既没有电属性，也没有磁属性，因为现代物理还没有观测或实验验证到可以证明光子具有这二种属性存在的科学证据（当然，也没有实验能够完全能够否定光子没有电磁属性）。

在光子到底有没有电磁性的实验验证问题上，因我们对一些光实验现象的解释都是站在光是电磁波的角度去解释的，并没有从光的粒子性角度去看待现象，故很难说有例证，比如对很多的磁光效应、晶体双折射等现象，都是用光是电磁波的观点去分析的，并没有一个去从光是粒子的角度去分析问题，产生这种“偏爱”的原因可能是认为光是电磁波的理论比较“成熟”，而用光是粒子去解释，则因为麦克斯韦电磁波理论、爱因斯坦相对论、量子场论等都不允许光子有质量、电荷、磁矩属性。

再说，目前虽然没有实验可以证明光子有质量和电磁属性，也没有实验可以证明光子没有质量、电磁属性，但两利相权取其重之原则，故还是采用光是波的理论去解释比较稳妥吧。

其实，从光是粒子角度而言，当我们赋予光子有质量、电磁属性后（可以是太小，目前用我们现有的科技手段测不出来），上述现象也都可以得到很好的解释，并且不会将物理置入＂无中生有＂的境地，且对光的干涉衍射、偏振，概率分布等现象也都能给出合理的物理解释。

比如比次观测到的中子星引起的“真空双折射”现象中，光被分成二条线，而不仅仅是一条线上的偏振问题.

图-1

我们知道，在电磁波理论中，光波都有一个矢量方向性，那么作为光的另一种描述，光子有自旋角动量性，那它就应该有一个自旋轴的方向性，即自旋磁矩方向性，光的储存也证明光与磁性有关，光的衍射、极化与偏振更可以从光子有自旋磁矩性方面予以解释。

光的可极化性说明电磁场变化可以对光矢量产生影响，这一点应与光子有自旋磁矩性是对应的，如图-1所示，宇宙中的一束自然光中的光子自旋磁矩方向为任意的，但当这束光通过中子星外的强大磁场空间时，由于该磁场是非均匀磁场，故自然光中的部分光子自旋磁矩会受外强大磁场作用而向靠近中子星方向运动，另一部分自旋磁矩光子则受强大外磁场作用向远离中子星方向运动，并融入上层的自然光（光子受外磁场影响较小或不受影响）中运动，如此，我们便可以看到有二束光出现，上层光为o光（受外磁场影响较小或不受影响），下层为e光（受外磁场影响较大，光子自旋磁矩方向被极化而趋于一致，即极化光）。

同时，我们可以认为，光子在强磁场中运动会表现出一定的电磁惯性量（不是引力场惯性质量），也就是说，光子在电磁场中的运动具有电磁惯性质量性，故它在强磁场中的运动速度大小与方向都会产生相应变化，真空双折射正是光子有电磁属性和电磁惯性质量的体现。

新浪科技讯 北京时间2016年12月3日消息，据国外媒体报道，八十多年前，科学家针对光在极强磁场中的行为表现提出了“真空双折射”理论，如今该理论终于得到了证实。真空双折射理论指出，磁场会使真空起到棱镜的效果，光从中穿过时会发生偏振现象。

　　近日，意大利国家天体物理研究所（INAF）和波兰绿山城大学（University of Zielona Gora）的天文学家在使用欧洲南方天文台的甚大望远镜研究一颗遥远的中子星发出的光线时，首次观测到了这种偏振现象。研究人员称，在接下来的十年间，在新一代望远镜的帮助下，我们可以利用这一特性判断中子星的大小和引力。

　　这颗中子星是在一颗至少有太阳十倍大的恒星发生剧烈爆炸后形成的，也就是超新星。中子星的密度极高，仅一勺物质便重达胡夫金字塔的900多倍。中子星周围还分布着极强的磁场，强度可达太阳磁场的数十亿倍。而多亏了中子星周围这些强大的磁场，天文学家才得以首次观测到“真空双折射现象”。

　　“问题在于，比太阳磁场强数十亿倍的磁场是无法在地球上被创造出来的，它们仅存在于中子星这样的恒星周围。”该研究的主要作者罗伯托·米格纳尼教授（Roberto Mignani）指出。但在此次研究中，科学家成功在距地球400光年之遥的中子星RX J1856.5-3754周围观测到了光的偏振现象。量子电力学（简称QUE）是描述光子与带电粒子之间相互作用的量子理论。该理论指出，太空中充满了虚粒子，随时会出现或消失。

　　将近100年前，该理论刚被提出的时候，德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和汉斯·海因里希·欧拉（Hans Heinrich Euler）便对真空双折射效应做出了预测。他们提出，强大的磁场可能会改变恒星周围真空的特性，导致光线穿过时会发生偏振现象。偏振指的是光振动的方向。如果光在一个平面上进行振动，便属于线偏振；而如果光的振动方向呈圆形，则构成了圆偏振。

　　“在强大的磁场影响下，真空的性质会发生巨大的变化。”意大利帕多瓦大学的罗伯托·杜罗拉（Roberto Turolla）指出，“电磁辐射和可见光在穿过处于强大磁场中的真空时，便会发生偏振，转化为两种不同的模式：平常模式（ordinary modes，o光）和反常模式（extraordinary modes，e光）。”extraordinary

　　但这种情况只有在类似该研究中的中子星周围才能实现。“这么强大的磁场是无法在地球上的实验室中实现的，它们只存在于中子星附近，而中子星是宇宙中已知的、最强大的磁铁。”罗伯托·杜罗拉说道。“这也是我们见过的最微弱的偏振现象，必须用世界上最大、最高效的望远镜才能观测到。”意大利国家天体物理研究所的文森佐·特斯塔（Vincenzo Testa）表示。

　　“我觉得最令人激动的是，这项预测原本是量子电力学这样的基础物理理论所提出的，虽然历经80年之久，但从未通过实验证实过。而如今，我们居然借助了天文学方法，通过观测中子星验证了这一预言的正确性。”

　　研究人员还需要观测其它中子星，从而验证该效应是否会对其它光线的波长同样造成影响。有了能够测定X光的新一代天文望远镜之后，天文学家便能将其付诸实践了。加拿大不列颠哥伦比亚大学的一名天体物理学家杰洛米·海尔（Jeremy Heyl）称，如果从太空中进行测定的话，由量子效应引发的偏振应该能达到百分之百的水平。

　　海尔指出，研究偏振现象将帮助天体物理学家推断出中子星的相关属性，如大小和表面引力强度等。

发布时间： 2021/08/24

近期，RHIC-STAR国际合作实验在世界上首次证实了从纯能量产生正反物质对的基本物理过程，并提供了真空中的偏振光在磁场作用下折射的实验证据。

这两个过程分别于1934年和1936年被提出。实验结果发表在物理评论快报上[Phys. Rev. Lett. 127, 052302 (2021)]。山东大学前沿交叉科学青岛研究院杨驰和当时在山东大学从事博士后研究、现任职美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的James Daniel Brandenburg对该研究做出重要贡献。研究团队还包括来自中国科学技术大学、Rice University和Creighton University的科研人员。

实验观测到来自于光子-光子对撞产生的正反物质—正负电子对，是科学家首次通过单次过程把来自于光的能量直接转化为物质。它的逆过程，正反电子湮灭产生双光子对, 早在1930年就由我国著名核物理学家赵忠尧先生在加州理工大学实验室实现。1934年科学家布雷特和惠勒首次预言了光子对撞产生正负电子对的过程。80多年后，RHIC通过加速两束金原子核到99.995%光速使核周围产生伴随其运动的“光子云”并对撞，在海量数据中测量到了6000多对经检验来自于布雷特-惠勒过程的正负电子对。

图一：相对论重离子对撞中布雷特-惠勒过程示意图（图片来源：BNL）。

实验进一步测量了偏振光在强磁场中被“吸收”产生的正负电子对，看到了基于光偏振角的“吸收”（或“通过”）。这种效应是真空双折射现象的一种反映。该测量是人类首次通过地表实验观测到真空双折射的迹象。

此前对真空双折射的测量来自于天文观测—光通过中子星周围被星球的磁场“弯折”。该效应的测量受到了山东大学周剑理论团队的启发[Phys. Lett. B 795, 576–580 (2019)]。该团队首次提出量子电动力学（QED）中实光子对撞的角分布在RHIC实验中的测量方法。这是高能核物理领域理论研究引导实验测量的成功例子。

图二：正负电子对的角分布

RHIC-STAR实验由来自13个国家67个单位的700多位科研人员组成。STAR中国组主导完成的飞行时间探测器在电子鉴别中发挥了关键作用。本研究数据分析部分主要由山东大学STAR组完成，并由J.D. Brandenburg代表STAR合作组在Quark Matter 2019国际会议上首次公开汇报。美国布鲁克海文国家实验室近期发表了该成果的官方新闻，文中多次引用主要贡献者杨驰和J. D. Brandenburg的论述。该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部和教育部等单位的资助。相关链接：RHIC-STAR实验论文: “Measurement of e+e− momentum and angular distributions from linearly polarized photon collisions” , https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.052302美国布鲁克海文国家实验室新闻链接：https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=119023