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根据我们的生活经验，一个人不可能不劳而获。 但在量子领域，确实有可能从无到有地创造出一些东西。
理论上，施温格效应表明，在足够强的电场存在下，（带电）粒子及其反粒子将从量子真空（真空空间本身）中剥离而成为现实。 这一预测由 于 1951 年提出，并首次在使用量子模拟系统的桌面实验中得到验证。
关键点
任何说“你不能从无到有创造出东西”的人一定没有学过量子数学。 只要你拥有终极虚无的物理虚空，只要以正确的形式操纵它，就必然会导致某些东西出现。 在真空中碰撞两个粒子有时会产生额外的粒子-反粒子对。 拿一个介子，尝试从反夸克中撕下一个夸克，一组新的粒子-反粒子对将从它们之间的间隙中被拉出。 理论上，即使根本不存在任何原始粒子或反粒子，足够强的电磁场也可以将粒子和反粒子从真空中拉出。
一度，人们认为需要所有粒子中最高的粒子能量才能引起这种效应：这些粒子能量只能在高能粒子化学实验或极端天体化学环境中获得。 但在 2022 年初，科学家们利用石墨烯的独特性质，在一个简单的实验室装置中创造了一个足够强的电场，从头开始自发地形成粒子-反粒子对。 这些预测早于 70 年：可以追溯到量子场论创始人之一朱利安·施温格 ( )。 施温格效应现已得到证实，它告诉我们宇宙实际上是如何从无到有的。
这张粒子和相互作用图详细说明了标准模型的粒子如何根据量子场论描述的三种基本力相互作用。 当重力加入其中时，我们就得到了我们所看到的可观测宇宙，以及我们所知道的定理、参数和常数支配着它。 暗物质、暗能量等谜团一直存在。
在我们居住的宇宙中，确实不可能以任何令人满意的方式创造出“无”。 从根本上讲，存在的一切都可以分解为无法进一步分解的个体实体——量子。 这些基本粒子包括夸克、电子、电子的较重近亲μ子和τ、中微子及其所有反物质对应物，以及光子、胶子和重玻璃骰子：W+、W-、Z0和希格斯粒子。 但即使你把它们全部拿走，剩下的“空白空间”在许多数学意义上并不完全是空的。
一方面，虽然没有粒子，但量子场仍然存在。 正如我们很难从宇宙中抢夺数学定理一样，我们也很难从宇宙中抢夺弥漫在宇宙中的量子场。
另一方面，无论我们将任何物质源连接多远，两种远程力的影响仍然存在：电磁力和重力。 即使我们可以通过巧妙的设置来确保某个区域的电磁场硬度为零，但对于重力我们却无法做到这一点； 在这方面，空间不可能是任何真正意义上的“完全空”。
太空中的天体三维网格会让原本“直”的线条被弯曲一定量。 无论距离粒子有多远，空间的曲率永远不会达到零，而是保持不变，即使在无穷远也是如此。
但是，当您将空间区域中的电场和磁场完全归零时，您还可以进行实验来证明光线昏暗的空间并不低。 尽管你创造了一个完美的真空，没有所有类型的所有粒子和反粒子，并且电场和磁场为零，但从数学的角度来看，这个区域似乎存在于化学家所说的“最大虚无”中
您所需要做的就是在该空间区域中放置一组平行的导电单元。 你可能实际上认为它们之间所经历的唯一力是重力，由它们相互的引力决定，但最终发生的情况是，蓝筹股之间的吸引力比重力预测的要强得多。
这些化学现象被称为卡西米尔效应，史蒂夫在 1996 年证明了它们，也就是它们被估计和提出 48 年后。
（图片来源：Emok/）
此处所示的两个平行导电单元的卡西米尔效应排除了导电单元内部的各个电磁模式，同时允许它们位于板之外。 结果，正如 20 世纪 40 年代的预测和 90 年代的实验所证实的那样，蓝筹股相互吸引。
同样，1951 年，描述电子和电磁力的量子场论联合创始人朱利安·施温格 ( ) 给出了如何从无到有创造物质的完整理论描述：只需施加一个大电场。 尽管这个想法早在 20 世纪 30 年代就被其他人提出，包括 Fritz 和天体物理前景，但它也被称为效应，因为他自己做了艰巨的工作来准确量化这些效应在什么条件下应该出现。
一般来说，我们期望真空中的量子涨落：可能存在的任何和所有量子场的爆发。 海森堡的不确定性原理指出，单个数字不能以任意精度串联已知，包括：
事实上，我们通常只用前两个实体来表达不确定性原理，但其他应用可能会产生同样深远的影响。
该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。 当一个人被更准确地了解时，另一个人本质上就不太可能被准确地理解。 每一次精确的检测都确保了相应补充量的更大不确定性。
回想一下，对于任何存在的力，我们可以用场来描述该力：其中粒子上的力是其电荷除以场的各个属性。 如果粒子穿过场非零的空间区域，它会受到取决于其电荷和（有时）其运动的力。 场越强，力就越大，场越强，该特定空间区域中存在的“场能”就越大。
而在纯空的空间中，即使没有外部场，在任何这样的空间区域中仍然会存在一些非零量的场能量。 如果量子场无处不在，那么简单地根据海森堡的不确定性原理，对于我们选择检查该区域的任何持续时间，该区域在该时间段内表现出本质上不确定的能量量。
我们观察的时间越短天体物理前景，该区域能量的不确定性就越大。 将其应用于所有允许的量子态，我们可以开始想象波动场，以及由于宇宙所有量子力而突然出现和消失的波动粒子-反粒子对。
量子场论估计的可视化显示了量子真空中的虚拟粒子。 （特别是对于强相互作用。）虽然在真空中这些真空能量也不为零，但从观察者的角度来看，弯曲空间区域中看似“基态”的曲率具有不同的曲率。 只要量子场存在，这些真空能量（或宇宙常数）也必然存在。
现在，让我们想象一下打开电场。 把它调得越来越高，会发生什么？
让我们从一个更简单的例子开始，假设已经存在一种特定类型的粒子：介子。 介子由夸克和反夸克组成，它们通过强力和胶子交换相互连接。 夸克有六种不同的性质：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，而反夸克只是每种性质的相反版本，具有相反的电荷。
介子中的夸克-反夸克对有时具有相反的电荷：+⅔和-⅔（下、粲和底）或+⅓和-⅓（上、奇和顶）。 如果对这样的介子施加电场，正负两端都会被拉向相反的方向。 如果场足够强，就有可能将夸克和反夸克彼此拉得足够远，从而使新的粒子-反粒子对从它们之间的间隙中撕裂。 当这些事情发生时，我们最终会得到两个而不是一个μ子，而形成额外质量（通过E=mc²）所需的能量来自首先将μ子撕裂的电场能量。
（图片来源：The/LBNL/）
当介子的两个组成粒子（例如此处所示的粲-反粲粒子）被拉得太远时，从能量上讲，有利于从真空中撕裂出一对新的（轻）夸克/反夸克，并形成两个曾经有一个介子的介子。 对于寿命足够长的μ子来说，足够强的电场可以诱导发生这种情况所需的能量，从底层电场中形成更大质量的粒子。
现在，考虑到所有这些背景，让我们想象一下我们有一个非常非常强的电场：比我们希望在月球上创造的任何电场都强。 某种东西的强度如此之大，足以吸收由大约 1019 个电子和质子组成的完整库仑电荷，并将它们中的每一个聚集成一个小球，一个正电荷和一个纯负电荷，并将它们分开仅一米。 该空间区域的量子真空将极度极化。
强极化意味着正电荷和负电荷之间的强烈分离。 如果空间区域有足够强的电场，那么当你创建所有最轻的带电粒子（电子和正电子）的虚拟粒子-反粒子对时，这些对被足够大的数量分开的机会是有限的，因为它们不能再因电场力而相互湮灭。 相反，它们变成了实际的粒子，从底层电场中窃取能量以保存能量。
结果，新的粒子-反粒子对开始存在，并且从 E=mc² 开始，制造它们所需的能量会适当增加外部电场的硬度。
（图片来源：Derek B.）
该 QCD 可视化说明了由于海森堡不确定性，粒子/反粒子对如何在短时间内从量子真空中喷射出来。 量子真空很有趣，因为它要求真空本身不是那么空，而是充满了量子场论描述我们的宇宙所需的所有粒子、反粒子和每种状态的场。 把它们放在一起，你可以看到小空间的能量为零，实际上小于零。
这就是施温格效应，毫不奇怪，它从未在实验室环境中观察到。 事实上，理论上它唯一可能发生的地方是宇宙中存在的最高能量的天体化学区域：黑洞和中子星周围（甚至内部）的环境。 但由于我们与最近的黑洞和中子星之间存在巨大的宇宙距离，因此这仍然是猜想。 我们在月球上创造的最强电场是在激光设施中，虽然我们使用最强、最强的激光来实现最短的脉冲时间，但我们离这个目标还很远。
一般来说，只要有导电材料，只有“价电子”可以自由交流，从而有助于导电。 但如果你能获得足够大的电场，你就能让所有电子加入电子流。 2022 年 1 月，纽卡斯尔学院的研究人员借助涉及石墨烯的复杂而巧妙的装置，在相对较小、可通过实验实现的磁场中实现了这一目标。石墨烯是一种非常坚固的材料，由以几何最佳状态结合在一起的碳原子组成。 在此过程中，他们还目睹了施温格效应的作用：在这个量子系统中电子-正电子对类似物的形成。
石墨烯具有许多有趣的特性，其中之一是其独特的电子能带结构。 存在导带和价带，它们可以与零带隙重叠，从而允许空穴和电子出现和流动。
石墨烯在很多方面都是一种奇怪的材料，其中之一是它的薄片实际上表现为二维结构。 通过减少（有效）维度的数量，3D 材料中存在的许多自由度被消除，内部量子粒子的选择要少得多，同时也减少了它们可以抢占的量子态集。
借助称为超晶格的石墨烯结构，这项研究的作者应用了电场并引发了上述行为：其中，除了来自最高部分抢占能态的电子之外，电子也作为材料传导的一部分流动，但来自较低的完全填充能带的电子也加入了流动。
当这种情况发生时，这些材料会表现出许多奇怪的行为，但这是第一次被发现：施温格效应。 它不是形成电子和正电子，而是形成它们会聚的类似物：空穴，其中晶格中“缺失”的电子以与电子流动相反的方向流动。 解释观察到的电压的唯一方法是利用电子和“空穴”自发形成的这些额外过程，其细节与施温格早在 1951 年的预测一致。
原子和分子构象的可能组合几乎有无数种，但任何材料中发现的特定组合决定了其特性。 石墨烯是这里显示的单个单原子材料片，是人类已知的最硬的材料，成对的石墨烯可以产生一种称为超晶格的材料，具有许多复杂且违反直觉的特性。
研究宇宙的方法有很多，在量子模拟系统中，描述一种原本难以接近的化学状态的物理原理应用于可以在实验室中创建和研究的系统，这是我们拥有的一些最强大的奇异化学探测器。 很难预见如何以纯粹的形式测试施温格效应，但由于石墨烯的极端特性，包括其承受巨大电场和电压的能力，它可以以任何方式出现：这种特殊的量子系统。 正如专着作者 Kumar 博士所说：
“当我们第一次看到超晶格元素令人惊讶的特性时，我们想‘哇......这可能是某种新型的超导性’。虽然这些反应与超导体中经常观察到的反应非常相似，但我们很快发现令人惊讶的行为不是超导性，而是天体化学和粒子化学领域特有的东西。看到如此遥远的学科之间有如此相似之处真是令人好奇。”
电子和正电子（或“空穴”）几乎是无中生有，只是被电场本身从量子真空中扯出来，这是看似不可能的宇宙证明的另一种形式：我们真的可以无中生有！
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