圖1. 不同磁場寬度下正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。其中W_B=1.25/c約為電子在磁場中的回旋半徑：磁場寬度小于回旋半徑時(shí)，粒子數(shù)持續(xù)產(chǎn)生，系統(tǒng)為超臨界；磁場寬度大于回旋半徑時(shí)，系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界。

圖2. 根據(jù)總哈密頓量得到的能級(jí)分布隨磁場寬度WB變化關(guān)系。寬度小于回旋半徑時(shí)，正負(fù)能態(tài)交疊，能夠持續(xù)產(chǎn)生電子對(duì)；寬度大于回旋半徑時(shí)，正負(fù)能態(tài)分離并出現(xiàn)離散的朗道能級(jí)。

量子場論被認(rèn)為是描述最本質(zhì)物理規(guī)律的學(xué)科之一。利用最基本的關(guān)系式狄拉克方程所提出的多種預(yù)測已經(jīng)被證實(shí)，并得到具有重大意義的結(jié)果。到目前為止，關(guān)于最具挑戰(zhàn)性且有重大價(jià)值的一項(xiàng)預(yù)測的真實(shí)性驗(yàn)證還仍然在探索中：光是否能夠直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，即強(qiáng)場下真空中是否能夠激發(fā)出正負(fù)粒子對(duì)。1951年諾貝爾獎(jiǎng)得主Julian Schwinger給出了電子對(duì)在均勻穩(wěn)恒電場中產(chǎn)生率的表達(dá)式，這項(xiàng)先驅(qū)性的工作引起了人們對(duì)這項(xiàng)對(duì)物理基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展和應(yīng)用極富挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)課題的注意，并激發(fā)人們開始投入大量精力來挑戰(zhàn)這個(gè)未解的難題。

超快超強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展正在為開展這項(xiàng)研究提供前所未有的實(shí)驗(yàn)條件，使其逐漸成為物理學(xué)的一個(gè)新的前沿?zé)狳c(diǎn)。迄今為止，人們在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)得到一些有意義的結(jié)果，重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)以及美國斯坦福線型加速器上進(jìn)行的46.6GeV電子束和強(qiáng)激光碰撞實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)了正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生。但是到目前為止，由強(qiáng)光場直接引起的真空擊穿和相應(yīng)的正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生過程的實(shí)驗(yàn)還未能實(shí)現(xiàn)，主要原因是目前激光系統(tǒng)的最大強(qiáng)度雖然已經(jīng)高達(dá)2×1022W/cm2，但仍不足以直接“擊穿“真空。為了獲得更高功率的激光系統(tǒng)，跨國研究中心也正在建設(shè)中。我們能夠預(yù)期，在不久的將來，激光就可接近甚至達(dá)到“擊穿”真空并自發(fā)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的強(qiáng)度，在避免其它效應(yīng)的情況下對(duì)超臨界場產(chǎn)生正負(fù)粒子對(duì)的過程進(jìn)行直接檢驗(yàn)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將是人類首次證實(shí)光可以直接轉(zhuǎn)化成為物質(zhì)，即愛因斯坦的能質(zhì)公式E=mc2, 這對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展和所帶來影響是不可估量的。

對(duì)于這一重要問題，理論和數(shù)值方面已經(jīng)得到了非常有意義的結(jié)果，但大部分工作都只考慮了電場而并沒有考慮磁場效應(yīng)。最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）光物理實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)激光高能量密度物理組與美國伊利諾斯州立大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)的合作者一起，首次研究了磁場效應(yīng)對(duì)局域超臨界電場下正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生過程的影響。

通過運(yùn)用基于量子場論的非微擾的精確數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在超臨界的電場中即使考慮強(qiáng)度非常小的磁場，只要其空間寬度足夠?qū)挘匀豢梢躁P(guān)閉正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生通道，使系統(tǒng)變?yōu)榇闻R界，并且伴隨產(chǎn)生粒子數(shù)在時(shí)間上的震蕩效應(yīng)(見圖1)。一直被公認(rèn)的Schwinger公式和Hund公式都無法對(duì)這種效應(yīng)做出描述。通過計(jì)算系統(tǒng)總哈密頓量的能量本征值得出，磁場變寬的同時(shí)正負(fù)能態(tài)的上下限隨之相互遠(yuǎn)移，當(dāng)磁場寬度達(dá)到粒子在磁場中的回旋半徑的時(shí)候系統(tǒng)就變?yōu)榇闻R界(見圖2)，并且出現(xiàn)離散的朗道能級(jí)引發(fā)粒子數(shù)在時(shí)間上的震蕩效應(yīng)。

上述研究結(jié)果發(fā)表在近期的物理評(píng)論快報(bào)[Phys. Rev. Lett. 109, 253202 (2012)]上。

該工作得到了國家基金委、科技部、中國科學(xué)院和美國國家基金委的資助。（來源：中科院物理研究所）