光作为电磁波为什么只能被引力改变方向，而不被磁力改变方向？ 第1页

光也是一种电磁波，经典的电磁波都可以有用麦克斯韦方程描述，这是一个线性方程，磁场与磁场不会有相互作用，一束传播的光线实际上就是相互交叠变化的磁场和电场，因此不会与空间中的磁场相互作用，不会被磁场改变方向。

而另一方面，中学物理我们学过，带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力，由直线运动变为圆周运动。光子并不带电，因此不会被磁场影响。

而引力并不直接改变光的传播方向，根据广义相对论的思想，大质量的物体会弯曲周围的时空，把直线“弯曲”，而光沿着直线传播，但是此时的直线以及被弯曲了，因此光线也会被弯曲。

如果不限制于

光能否被磁场改变方向

而是

磁场能否影响光的传播

那答案是肯定的！而且有很多有意思的现象。

经典的电磁波是用麦克斯韦方程组描述，然而随着量子电动力学（量子版本的电磁相互作用理论）的发展，人们发现电磁波实际上是由光子构成的，光子和光子之间实际上存在着微小的相互作用。这种微小的相互作用是通过“虚正反电子”实现的：

而且，传统意义上认为的真空，实际上并不空，也是充满了“虚粒子对”：瞬时产生并湮灭的正反粒子对，而这些“虚粒子对”也会影响光的传播。

而一个光子的传播是无数种传播模式的叠加：

• 可以一直是一个光子；
• 也可以传播的过程中变成一对正反电子，然后正反电子又湮灭成光子，继续传播；

• 也可以变成两次正反电子对...
• 中间变成n次正反电子对...

当磁场非常强的时候，光子变成正负电子对然后湮灭的过程就会受到磁场较大的影响，进而影响光线的传播。具体来说^[1]：

在偏振方向与磁场垂直和平行的两个方向上，光线的传播速度不同，而且都可以远低于真空中的光速。

...so that light rays with planes of polarization parallel and perpendicular to a large external magnetic field will move with differing speeds.These speeds can both be significantly less thanc, the standard vacuum velocity of light.

这就是真空双折射（vacuum birefringence），最初由Heisenberg 和 Euler在1935年提出^[2]

双折射现象在日常生活中也有体现，当一束非偏振光通过某些特殊晶体时，就会产生两种折射光线，最终晶体后变成两束（极化的）光线：

而影响光线传播的真空双折射，需要磁场强度大于44.1亿特斯拉^[3]。而这样强的磁场还无法在普通的实验室中产生。比如在2018年，日本东京大学的一组物理学家在实验室里实现了可控的最强磁场：1200特斯拉，虽然只持续了0.1秒^[4][5]。

因此这个效应在提出的八十年后一直没有得到证实，一直到近几年。

这个效应的观测需要强磁场，那么哪里有这样的强磁场呢？

（1）中子星。在2016年，天文学家首次报道了观测到真空双折射现象^[6][7]。一组科学家使用欧洲南方天文台 (ESO) 特大望远镜 (Very Large Telescope) 观测了来自中子星RX J1856.5−3754的光，结果发现观测到的光有16%的偏振。

（2）重离子对撞。重离子对撞是通过重的原子核对撞来研究粒子物理的一类对撞。由于原子核带多个正电荷，因此在运动过程中会产生很强的磁场，这个磁场比中子星的磁场还会高出数个数量级，虽然持续时间很短暂。

今年的STAR合作组发表了一篇实验结果^[8]，其中就测量了超外围对撞（两个核子不直接接触）中电子对产生的分布角度，这个角度就跟光子的极化有关：

结果看到了很明显的角度依赖关系，这也表明光子在强磁场中已经产生了极化，进而光子光子对撞后产生的正反电子对也有了角度依赖。

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参考

1. ^ https://www.npl.washington.edu/av/altvw196.html
2. ^ https://arxiv.org/pdf/physics/0605038.pdf
3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_polarization#Electric_and_magnetic_fields
4. ^ https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00008.html
5. ^ https://tech.sina.com.cn/d/i/2018-10-10/doc-ihkvrhpt4547327.shtml
6. ^ http://www.sci-news.com/astronomy/vacuum-birefringence-04410.html
7. ^ https://arxiv.org/pdf/1710.08709.pdf
8. ^ https://arxiv.org/pdf/1910.12400.pdf