第二十六章：虚粒子虚粒子这个词，相信大家并不陌生，都听过。可是虚粒子是什么？大家就非常陌生了，要不然它不会叫“虚粒子”。今天我们一起来说说
虚粒子。在要讨论虚粒子这一章的开始，我要强调，虚粒子重在一个“虚”字，区别于实粒子。也就是说下面我们讲到的很多关于虚粒子的知识，都
是假设，没有证实。但不能说它没有用，因为还需要用这个虚粒子来解释一些量子力学以及时空微扰等理论。所以虚粒子(virtualpar
ticle)，意即虚构粒子、假想粒子，是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念，指代用来描述亚原子过程。例如撞击过程中粒子的数
学项。但是，虚粒子并不直接出现在计算过程的那些可观测的输入或输出量中，那些输入或输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳的
粒子。虚粒子的虚“事件”通常看起来是一个紧接着另一个发生，例如在一次撞击事件中，它们存在的时间很短。如果在计算中略去那些被诠释为代
表虚粒子的数学项，计算结果将变成近似值，有可能较大地偏离完整计算得到的正确而且精确的结果。量子理论不同于经典理论。区别在于对于亚原
子过程的内部机制的计算。经典物理不能处理这种计算。海森堡认为，在亚原子过程例如碰撞中，到底“实际上”“真正”发生了什么，是不可直接
观测的，也没有可用以描述的单一且物理明确的图像。量子力学具有这样的特质：即它可以避开关于内部机制的思考。它把自己限制在那些实际上可
观测可感知的方面。但是，虚粒子则是一种概念化的手段，通过给亚原子过程的内在机制提供假设性的诠释性图像，它试图绕过海森堡的洞察。下面
会给大家举例说明，这样才好理解。有一点，我们可以大胆猜想，虚粒子存活得越久，它的特征就越接近实粒子。虚粒子出现在许多过程中，包括粒
子扩散和卡西米尔效应。在量子场论中，即使是经典力--例如电荷间的电磁吸引力和推斥力--也可被认为是源于荷间的虚光子交换。虚
粒子被用来描述那些无法用实粒子来描述的基本交互作用力的量子，静力场就是其中一个例子，像是电场或磁场，或是任何一种场，都无法以光的速
度从一个位置来携带讯息至另一个位置(借由场来传播的资讯必须由实粒子来当载子)。虚光子【不能直接被观测的光子】也是一种近场的主要载子
，而这种近场是一种短距的效应，而且不会拥有像电磁波的光子那样的特色。举个例子来说，当能量从缠绕的变压器到另一台变压器，或到MRI的
扫描器上时，就量子而言这种携带能量的是虚光子而不是实光子。虚粒子是由无质量的粒子所组成，像是光子，但虚粒子也是可能有质量的且被称之
为离壳。因为它们只存在极短的时间里面(称之为有限的"range")，所以这些虚粒子被允许拥有质量。这是根据不确定原理而来的，不确定
原理允许粒子的能量乘上它们存在的时间小于普朗克常数即可。拥有质量更使得了单一的虚粒子更容易从带电的基本粒子被创造和射出，而这对于无
质量的光子在没有违反能量跟动量守恒之下是不可能发生的(单一的实粒子要被创造或射出必定是拥有两个以上粒子的系统)。可以去参考一下希格
斯机制，希格斯场的知识来理解。对于那些有真正有质量的粒子，它们的虚态仍然会破坏狭义相对论理的能量动量关系，有质量的粒子基本上都会利
用以下的关系来预测：因为这些理由，通常力的载子都是无质量的，主要的例外就是弱作用力中的W+/-和Z玻色子。虚粒子的概念很接近量子波
动的想法。虚粒子可以被想成是进入一种实体的量，就像是电场一般，而这个量是在量子力学所要求的期望值附近扰动。虚粒子的这个概念是从量子
场论里的微扰理论而来的，一个大约的图象就是实粒子之间的交互作用是借由交换虚粒子来计算。任何的一种有包含虚粒子的过程都可以用可以帮助
了解计算的费曼图来表示。虚粒子在很短的时间之内是不需要完全的遵守：{displaystyleE^{2}}关系式。换言之，它的动能
和动量可能可以拥有不像平常我们熟知的关系。对于这种存在是会被因长时间和长距离而产生相消性干涉而抵消，且虚粒子可以被视为量子纠缠，量
子穿隧效应的一种证实。由虚粒子所携带的力的作用范围是被不确定原理所限制住，而不确定原理则视能量与时间是共轭变数；因此，拥有更大质量
的虚粒子越是被限制在更小的范围内。事实上，实粒子与虚粒子并没有一条很清楚的界线——物理上的方程式只是描述粒子(两者都等价的包含在里
面)。虚粒子存在的振幅和不存在的振幅抵消，然而对于实粒子的状况来说，存在与不存在的振幅在互相之间达成的共振，且不再相消。就量子场论
的观点而言，“实粒子”可以被视为在量子场论的基础之下可以被侦测到的激发态。就其本身而论，虚粒子也是一种在场的基础之下的激发态，但不
同的是被侦测到的是力而不是粒子。它们可以被“暂时的”被想成只出现在计算当中，而不是真正的被侦测到的粒子。因此，以数学的术语来说，它
们在散射矩阵里根本没有出现任何的指标，也就是说，它们根本没有任何可以被观测到的部分。在这种图象之下，虚粒子是一种微扰理论的人为产物
。在现代物理中对虚粒子有两种主要的见解与想法。它们出现在费曼图的中间项，也就是说是微扰计算里的一个项。或是它们也出现来当作被加总或
积分整个半非微扰的效应的无限多组态。就后面这种说法，有时候会被认为是虚粒子造成这种效应，亦或是因为虚粒子的存在而造成这种效应。已经
有许多可观测到的物理现象是因为虚粒子的交互作用而产生的。对于那些当它们是自由粒子且是“实”粒子的状况下还显示出有静止质量的玻色子，
虚的交互作用由交换粒子而产生的相对短距离的力的交互作用来描绘。弱作用力和强作用力就是短距交互作用的两个例子，而且它们与场玻色子有关
。而对于重力与电磁力，没有静止质量的玻色子允许用虚粒子来扮演长距力之间的角色。然而，在光子的例子当中，能量以及资讯的传送是借由相对
短距的虚粒子。以下是一些可能被视为由虚粒子产生的场交互作用:1、在电荷之间的库伦力（静态的电力）。它是由交换虚光子而来的。在对称的
三维空间里这样的交换虚光子造成与距离平方的倒数成正比的电力。因为这种光子没有质量，所以电场的有效距离是无限的。2、在磁偶极矩之间的
磁场。它也是由交换虚光子而来，在对称的三维的空间这样的交换虚光子造成与距离平方的倒数成正比的磁力。因为这种光子也没有质量，所以磁场
的有效距离也是无限的。根据量子力学的不确定性原理，宇宙中的能量于短暂时间内在固定的总数值左右起伏，从这种能量起伏产生的粒子就是虚粒
子。当能量恢复平衡时，虚粒子湮灭。虚粒子用来描述承载力的粒子，包括引力子（承载引力）、胶子（承载强力）、光子（承载电磁力）、和玻色
子（承载弱力）。我们举例来说，我在《变化》中，就强调过真空不空。我个人的认为是真空不空，真空具有能量。我甚至相信这句话应该被作为定
律被科学家所熟知。支持真空的不空的理论有很多而且是相联系的。更体现了它的正确性。支持理论1.绝对零度不可达到，真空也不例外，所以
真空是有能量的！！支持理论2。海森堡不确定性原理表明，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以，可以“空”，不能“无”。因此，在真
空中，粒子不停地以虚粒子、虚反粒子对的形式产生，而又互相湮灭，在这个过程中，总的能量保持不变。支持理论3、一个瑞典物理学家小组成功
地实现了真正意义上的“无中生有”——首次从真空中创造出闪光。该小组让一个特殊组件在磁场中以1/20倍光速移动，并通过改变磁场的方向
导致该组件出现“震动”。这样做的结果是从真空中产生了一束粒子流——这完全符合理论预计。这一不寻常的发现被认为是物理学的一项重大进展
，并引起了全世界物理学界的关注。真空为什么不空，四大原因让你相信真空不空！这一现象基于一个诡异的理论，量子力学。这一理论提出：真空
并不存在，所谓的真空中其实充斥着粒子，只是这些粒子太微小，并且不断的产生和消失，因此难以探测。支持理论4、卡西米尔效应。即在真空中
两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目小造成的。所以虚粒子虽然观测不到，但其存在还
是有意义。再通俗给大家说一下。虚粒子是人为假设的粒子，目前的手段是观测不到的，如果观测到了，那就不是虚粒子了。以“希格斯玻色子”来
说，2013年之前，处于假说阶段，不一定存在。就可以说它是一种“虚粒子”，是为赋予其他质量而需要出现的一个粒子。2013年之后，证
实其存在，自然就是实粒子。再比如，引力子现在就是没有被证实的。可以说是一种“虚粒子”，就是传递引力的粒子，就好像是若隐若现于宇宙之
中的，我们观测不到。它快闪快现，但宇宙整体其实是“平衡”的。还有比如有“虚光子”这样词。其实也是虚粒子了。只是说有的假说粒子，在一
开始就以其他名字存在的了。而一些现象，比如卡西米尔效应，为了解释这样的现象，我们说是虚粒子在其作用。当然也可以用“卡西米尔粒子”来
说。假设过几年，人类研究卡西米尔效应时观察到了起作用的粒子，那么就会排除这种虚粒子微扰。将发现的这种粒子可以正式命名为“卡西米尔粒
子。”还要强调一点，虚粒子和反粒子是两个概念。反粒子都是实粒子。能够观察到的。还有一个粒子，比如说暗物质，暗能量的概念，就和虚粒子的概念有接近。暗物质，暗能量的概念也是为了解释宇宙膨胀而假设出的物质。为了来迎合理论，不然现阶段观察不符合理论。现实的宇宙法则，可能会令你大吃一惊。虚的不一定是虚的，有一天会变成实的，实的有一天会变成虚的。但虚和实都是一种客观存在。道家的宇宙哲学就是这样的。摘自独立学者，诗人，作家，国学起名师灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》 |
|
