新浪科技综合■哈利·波特的魔法背后的物理原理新浪科技综合2020-08-25 12:04:570阅

来源：中科院高能所
最近，《哈利波特与魔法石》全新4K修复3D版正式上映， 20年魔法梦不灭，粉丝们终于可以身临其境地体验一把魔法世界。
神奇的魔杖、刺激的探险……那些曾惊艳我们的种种，多希望能变成现实啊！
消失的玻璃
情境回放：
哈利使得关住蟒蛇的玻璃消失，放走了蟒蛇。
消失的玻璃去哪了

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图1/15消失的玻璃去哪了？物体能凭空消失吗？
当然可以！只不过，玻璃并不是“凭空”消失的，而是说，组成玻璃的这些分子原子它们消失了，取而代之的，是其他形式存在的能量。
咦？物质和能量之间相互转化？
很多人有类似于“物质不灭定律”的固定思维。当汽油燃烧完后，物质并没有消失，只不过汽油中的碳和氢原子，和空气中的氧气结合成了水蒸汽和二氧化碳。等等各种反应，只不过是物质在不同组合之间的转换。
然而，物质不灭是一个假象，组成物质的基本粒子，在能量足够高的情况下，可以成对地消失，转化成能量。比如现在的对撞机实验发现高能正负电子对撞会湮灭为高能光子，高能光子也可以从真空中激发出大量的粒子。强大的激光能量束，能够在真空中剥离出电子和正电子来。也就是我们所说的“产生正负电子对” 。
在真空中剥离出电子和正电子来？对，要一步步搞清楚，其实不难，当我们知道真空是什么，这个问题就好解释了。那么，物体消失的魔法，也就不在话下啦！

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图2/15我们曾天真地以为真空里有“以太”
曾经的物理学家们认为，既然电磁波能够在真空中传播，那么真空中一定弥漫着一种特殊的媒介，叫做“以太” ，电磁波就是以太的振动而形成的。
但是测量以太，发现没有
提出了以太之后，肯定就有人要去证实一下啦。迈克耳孙和莫雷，想到了利用光的干涉效应对以太进行实验测量。如果以太存在的话，根据牛顿力学的速度叠加原理，在地球上朝着不同方向传播的光的速度有微小的差异，那么两条光路的干涉效应可以表现出这一差异。这个实验被称为迈克耳孙—莫雷实验，其实它已经达到了非常高的测量精度，然而却没有观察到预期的光速的差异。这就……令科学家们不安了。
爱因斯坦：嗯，不需要以太啊！
此时，拯救世界的就是大家所熟知的——爱因斯坦，他提出了狭义相对论，其中有两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。只要放弃牛顿力学中绝对空间和绝对时间的概念，就能解释迈克耳孙—莫雷实验的结果，完全不需要引入以太。电磁场本身就是一种物质，电磁波是这种物质的运动形式之一，不需要媒介就可以在空间中传播。
至此，经典的以太这个概念，被人们所摒弃。。

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图3/15狄拉克用方程导出了电子自旋
事情转到1927 年，狄拉克提出了满足相对论协变性的量子力学方程——狄拉克方程。由于这个方程自然地导出了电子自旋的结果，被人们公认为现代理论物理学的一个巨大成就。
负能量的电子，怎么办？
但是，狄拉克方程也预言了一个非常神奇的结果：狄拉克方程的解，竟然还存在负能量的电子！
如何理解这些负能量的电子呢？狄拉克解释说，真空是所有负能量态都被占据的状态，每个负能量态都有一个电子占据着，所以阻止了正能量的电子向负能量态跃迁，至于为啥，那是因为泡利不相容原理：在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。同一个状态的电子，最多只能被激发出一个。

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图4/15真空可以看成填满了所有负能量态的电子形成的海洋，而带有正能量的电子则在这个海面上运动。

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图5/15真空是电子海！这样一个景象，可以说是令人相当惊奇的。设想一下，如果一个高能量的γ射线入射到电子海中，海中将有一个电子被激发到海面上，而电子海中也会留下一个空穴。狄拉克给这个空穴起了个名字叫正电子，因为它相当于一个带正电荷的电子在真空中运动。它应该与电子具有相同的质量，但它有正的电量，是电子正能态的一种镜像。狄拉克还进一步预料：当正电子和负电子相遇时，会发生湮灭而产生光子。相反，一对光子的湮灭，也会产生出一对正电子和负电子！
相当的天才，有木有！

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图6/15安德森证实了狄拉克的预言
有了预言，那又有人要去实验证实啦！安德森在宇宙线照射的云室中，发现了一个与电子质量相等、却带有正电荷的电子——正电子，非常成功地支持了狄拉克的理论预言。紧接着不到4年的时间，就有大约4万多例实验反复证明了正电子的存在。狄拉克和安德森还因为这，分别获得了1933年和1936年的诺贝尔物理学奖呢。分页标题
场的激发和退激发——真空涨落
当历史的长河进入20 世纪中叶，电子与电磁场相互作用的量子理论——量子电动力学诞生了。它是一种量子场论，它说，电子场的激发和退激发，对应着电子的产生和湮灭，而电磁场的激发和退激发，对应着光子的产生和湮灭。
拿费曼图给大家看一下，没听说费曼图也没关系，因为费曼发明出来就是为了让大家直观地看懂呀！左图中，左边画的电子和正电子通过碰撞，发射出中间画的那个虚光子，然后被右边画的电子和正电子所吸收，这样，两边的粒子对通过交换虚光子发生了相互作用。此时初态和末态，都是可以被直接观测到的真实粒子，而所有中间过程的粒子，存在的时间很短，被称为虚粒子。

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图7/15图（a）简单的费曼图（b）量子电动力学的真空极化右图中，是一个更高阶的过程。电子发射出的虚光子可以变成一对虚的正负电子，就是那个圈圈，然后这对虚的正负电子又湮灭重新变成一个虚光子，这个虚过程被称为真空极化。
这样我们是不是理解了，看似电子在真空中运动，实质上真空中存在着大量的虚的光子、正负电子对。也就是在费曼图中的中间部分的那些粒子。这被称为“真空涨落” 。
别催了现在就证实真空涨落
【新浪科技综合■哈利·波特的魔法背后的物理原理新浪科技综合2020-08-25 12:04:570阅】电子能级微小变化——兰姆位移
同样，再完美的理论总是要被实验证实才被接受。话说，真空涨落将引起电子能量的微小改变，不过仅在MHz量级（微波段）。于是美国物理学家兰姆，利用微波技术，测量了氢原子中电子最低的两个激发态能级，发现的确是啊，真空涨落将引起电子能级的微小变化，这个微小变化被称为兰姆位移。记好了，很出名的~
真空涨落屏蔽电子自旋——电子反常磁矩
还有一个实验，同样大名鼎鼎，那就是电子的反常磁矩。因为真空涨落还将屏蔽电子自旋。美国物理学家库什就利用磁共振技术，测量了电子磁矩，发现真空涨落确实将引起电子磁矩偏离了简单的玻尔磁子，这被称为反常磁矩。
这两个实验都很成功，与理论值在相当高的精度上一致！

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图8/151973年12月，英国《自然》杂志以“专题文章”的形式刊出一篇题目为《宇宙是真空涨落的产物吗？》的文章：浩瀚无边的宇宙，起源于量子真空涨落。第一次以科学严肃的语言描述了宇宙产生于看似虚无的真空。
那是一片波动不停的能量之海~当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子；当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。它们紧密地填满了每个物体的空隙，却几乎不与物体发生相互作用。
但这一切都是在普朗克尺度下的空间，而宏观时空是由普朗克尺度下最小的时空单元编织而成。在宏观下的我们，能不能亲眼看到微观的量子效应呢？
吼吼，也可以！惊不惊喜，意不意外？让我们做个有趣的实验——卡西米尔效应！
真空涨落体现在宏观上——卡西米尔效应
这是由荷兰物理学家卡西米尔提出的。下面我们来具体想象这样个小实验：
这是一对金属板，平行、近距离放置在真空中。

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图9/15这两块金属板会发生什么现象？
大家会觉得，如果这两块金属是带电的，那么两块金属板之间会产生电磁力：如果带同种电性，那么两块金属板之间会产生排斥力；如果带不同电性，那么会产生吸引力；如果不带电，那……不存在任何力？
但是！由于两块金属板之间的距离很近（例如，一个原子尺度的100倍），处于基态的场，具有“量子涨落” ，真空零点能改变，两个金属板会出现吸引力！
这就是卡西米尔效应。
电磁场可以量子化为各种能级的谐振子。那么两块平板之间的真空，也就是基态，实质上充满大量谐振子。通过计算可以得到两平板之间距离的真空能量，这是卡西米尔能量。而两平板之间的相互作用力，也就是卡西米尔力，可以看成是卡西米尔能量对于平板之间距离变化的导数。

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图10/15卡西米尔效应的信号是很微弱的。对于实验是一个巨大的挑战。实验物理学家采用高精度扭摆、原子力显微镜等手段来测量卡西米尔力，取得了一系列的进展。 2011 年，瑞典的研究组将超导微波腔的两个镜面作为两个平板，利用微波光子的测量技术，精密测量了其中的卡西米尔效应。虽然卡西米尔效应非常微小，但却对于宏观物理学与微观量子力学的统一，有非常重要的意义呢。
小插曲：逆卡西米尔效应
不过，事情也没那么顺利。又有两个大佬——诺贝尔物理学奖得主维尔切克与斯德哥尔摩大学的蒋庆东发现：他们就是改变了一下实验材料，两块金属板之间的吸引力竟然消失了，甚至变成了排斥力！分页标题
这又是怎么回事呢？难道之前都是骗人的？
不不不，别误会呀，原来，如果在两块金属板之中加入手性材料，那么实验结果将会发生逆转。这被称为：逆卡西米尔效应。
手性材料，顾名思义，就是具有“像手一样的对称特性”的材料，它不能与其镜像完全重合，就像我们的左手与互成镜像的右手就是不能重合的。如果将这种“手性材料”加入到两块金属板之间，那么两块金属板之间的卡西米尔效应的吸引力就会变成排斥力。维尔切克与蒋庆东这样尝试解释：手性材料的特殊性质打破了光子的对称性，导致空间内每一个光子的动量发生了改变。维尔切克与蒋庆东只是用光子传播方向的改变证明了逆卡西米尔效应的确存在，还可以通过调节手性材料的温度、磁场，对逆卡西米尔效应进行大小调节。至于这个解释是否正确呢？还需更多的实验进行验证。
好了，到现在为止，我们了解了真空量子涨落，似乎可以解释粒子产生和消失是不足为奇的事了，但是，科学的发展还有很长的路。感兴趣的小伙伴们，不要就此止步哦~~~
迷人的场论
这里省略了一波n折的激动人心的科学史，几乎在整个二十世纪期间，一直到1970年代的再次复兴……但是今天，我们将重点放在道理上~
下面的每一条都是精华版知识点，拿起小本本记好哦~~~

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图11/15在场论中，每一种基本粒子，都对应着一种场，真空是所有的场都处于能量最低的状态。
场的能量是量子化的，每一份能量的激发，就在真空中增加了一个粒子。也就是说，粒子只是场的一种激发态。不同的激发态，粒子的数目和状态不同。
场可以用一个算符值函数来描写。这个函数的自变量是时空坐标，满足一定的运动方程，运动方程可以从拉格朗日量推导出来，它决定了场或粒子的运动规律。例如，在规范变换下，拉格朗日量具有不变性，由它导出的运动方程也具有不变性，因此场或粒子的运动规律在规范变换下保持不变。（至于拉格朗日量是啥，规范变换是啥，如果不了解，就暂时不用管它了。）
粒子的产生和消灭，是由于不同的场，通过相互作用交换能量的结果。换句话说，场之间的相互作用，引起场激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程。
至此，粒子的产生和消灭究竟是什么原理，又一次更新了我们的认知。听到这里已经很棒了，下面还有有趣的故事↓
真空下，对称性怎么破缺了？
然而，这样一个宏伟的量子理论，也还是会遇到了头疼的困难：规范不变性要求某些粒子没有质量！这怎么解释？物理学家们又。。。

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图12/15这时，美籍日本理论物理学家南部阳一郎跳出来说：虽然拉格朗日量具有这个对称性，但真空态不具有这种对称性，这叫真空对称自发破缺。
可以这样理解：有一群乱飞的萤火虫。正常情况下，这些小萤火虫的飞行方向是任意的，萤火虫又那么多，因此整个空间有着空间转动的不变性。但是当真空态的时候，这些小萤火虫就像归队了一样，都沿着某个方向排排站，出现了自发磁化，因此整个空间的空间转动的不变性遭到了破缺。

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图13/15原来是Higgs！
OK ，质量的问题得到解释了，但是真的得到解释了吗？质量到底怎么来的？粒子为什么会有质量？我们还是不知道。
这时候，英国理论物理学家希格斯等人又提出，假如存在一个Higgs场，与规范场耦合，那么当真空态发生自发对称破缺时，就可以使规范场粒子获得质量。这个有质量的粒子就按照他本人命名为Higgs粒子。
接下来，寻找Higgs粒子就成为实验物理学家一直以来的梦想！

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图14/15事情到了2012年，欧洲核子中心的科学家官宣在其大型强子对撞机上发现了Higgs 粒子！正是宇宙中充满着Higgs场，带来了万物的质量。
物质的产生与消失，背后的原理，又一次让我们惊叹。。
再接下来，读者们应该会领略物理学家们的意思了，找到了Higgs粒子，肯定不能放过它呀，要研究它，要进一步搞懂Higgs机制，那我们就需要更精准的对撞机，这是后话了。
今天，关于从哈利魔法“消失的玻璃”引发的对于物质产生消失的物理原理，就扯这么多了，由于篇幅原因，本文并没有把量子物理全部的历史和知识点说到，有趣的知识还有很多。
《哈利波特与魔法石》还有好多魔法，期待你去发现哦！

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图15/15