虛粒子是什麼？簡單物理學名詞背後有複雜含義

科技 09-12

什麼是虛粒子？很多物理學名詞聽上去非常簡潔明了，它們的存在似乎是將複雜物理概念包裝到了一個簡單明了的名詞裡面，讓普通民眾更容易理解它們。但這些都是錯覺

世界上有一些物理學名詞聽上去非常簡潔明了，它們的存在似乎是將複雜物理概念包裝到了一個簡單明了的名詞裡面，讓普通民眾更容易理解它們。但這些都是錯覺。很多物理學名詞的字面意義與它真正所表達的物理學含義相去甚遠。

這裡僅舉一例：虛粒子（virtual particles）。這個物理名詞的出現是為了回答一個古老的問題：粒子究竟是如何發生相互作用的？加入我們有兩個帶電粒子，我們將它們分別成為A和B。如果A和B兩個粒子都帶負電，比如說它們或許都是電子，當然也有可能是μ介子，這不重要。重要的是，當這兩個帶有負電荷的粒子相互接近時，它們會相互排斥。

這樣的排斥作用究竟是如何發生的？這兩個粒子之間究竟是如何進行了溝通聯繫，從而知道對方的電荷屬性並決定各自掉頭，避免相互接觸得到？

這是一個非常有趣的基礎問題，可以想像，如果我們能夠對這一問題給出令人滿意的答案，我們將能夠洞察關於宇宙的深刻而重要的秘密。

現代量子場論將光子視作是電磁力的攜帶者。前文中我們提到的A和B兩個粒子都是帶電粒子，因此它們會和光子之間發生相互作用。但很明顯的是，A和B兩個粒子並沒有相互發射激光束進行溝通，因此，科學家們說，這兩個粒子之間「交換了虛光子」。

這究竟是什麼意思？

粒子與電磁場

讓我們先後退幾步，回到舊時代，比如19世紀時物理學的情況。我們知道每個帶電粒子都會產生電磁場，而這種電磁場幾乎就是一本指南，決定了其他粒子將如何與其發生相互作用。對於一顆粒子而言，這種電磁場在其附近是最強的，隨著距離的增加而逐漸減弱，另外，這一電磁場的方向從該粒子出發，指向各個方向。

因此，從這一層面上看，我們的A粒子是產生了一個充滿整個空間的電磁場。其他粒子，比如B粒子，都能夠讀懂這一指南並據此作出相應反應。當B粒子距離A粒子太遠時，在B粒子看來，A粒子的電磁場強度很弱，就像它給出的說明書字太小了，看不清楚，因此它的運動不會受到什麼明顯的影響。但當B粒子越來越接近A粒子時，它會發現後者愈發強烈的電磁場中清晰無誤地寫著幾個大字：走開！於是B粒子離開了。

在上面這個設想的故事情節里，場是和粒子一樣的真實存在。整個宇宙中充滿物質，而場的作用是告訴物質該如何進行相互作用。

場的重要性

從20世紀初到20世紀中葉，物理學家們逐漸意識到宇宙實際上是一個遠比我們原先所設想的要奇異的多的存在。當他們將狹義相對論與量子力學相結合，便發展出了量子場論，而這樣做的結果卻超出了所有人的預料。

正如其名稱所暗示的那樣，「場」的地位再次被抬升了。在此之前「場」就像一張告示單，為它身後的粒子寫明其他粒子在此的行為規範，而現在，「場」一下子成為了一種主要的物理學對象。根據這一對於宇宙的複雜的現代物理學觀點，電子並非是一顆孤獨的粒子，完全不是。相反，它被電磁場包圍，充斥整個時空，就像浸沒吐司麵包的牛奶一樣。

於是，我們的觀念改變了。「場」才是研究的主體對象。那麼粒子呢？它們就像是場的平靜水面中的一道能夠自由傳播的小小「漣漪」，或者組成「場」這張圖像的一個小小像素。這是一個重要的概念。

奇異的粒子

從這裡開始，事情逐漸變得令人困惑：一顆粒子從一處運動到另一處，在此期間它嚴格來說並非同一個粒子，或者說至少不是同一類粒子。

你一定完全暈了，沒關係，讓我們回到A粒子和B粒子的例子上來。我們說這是兩個帶電粒子，因此從定義上說它們會和光子，也就是電磁場之間發生相互作用。因此電場（由電子組成的場）中的「漣漪」能夠影響電磁場中的「漣漪」。因此，從字面意義看，隨著A粒子的運動，它的一部分時間是扮演著電場中「漣漪」的角色，而它的另一部分時間則是扮演者電磁場中「漣漪」的角色。這也就意味著，有時候它是一個電子，但有時候它就是一個光子，也就是組成電磁場（EM）這張圖像的一個小小像素！

這還沒完！情況還要比這糟糕的多！由A粒子扮演的電磁場漣漪可以轉變為其他漣漪，比如說μ介子漣漪。對於宇宙中的任意一個基本粒子而言，都存在一個對應的場，並且它們之間都會相互交流，而在其中傳播的粒子（漣漪）則會不斷在不同的「場」之間來回切換。

而當你將所有這些「漣漪」、「漣漪的漣漪」以及「漣漪的漣漪的漣漪」全部考慮在內，我們才能得到「一顆粒子從一處運動到另一處」的結果。

從數學角度看，情況很快就變成了一團亂麻，但一些最頂尖的物理學家，比如理查德·費曼（Richard Feynman）則仍然能夠從中理出頭緒來並開展一些重要的科學工作。

粒子與虛粒子

好了，在經過這麼長的背景介紹之後，我們終於將涉及正題。場中的「漣漪」會來回變化。如果這道「漣漪」持續存在並一直傳播，此時我們便將其稱作「粒子」（particles）。而如果這道「漣漪」很快就消亡了，我們就將其稱作「虛粒子」（virtual particles）。但從最深層次的意義上去理解，那麼它們都是「場」中的漣漪。

當前文中提到的A粒子逐漸接近B粒子，它們並非像很多人想像中的那樣像兩顆子彈迎面接近。實際上它們是一系列複雜的「漣漪」，包含著各種不同的場，從一種場向另一種場不斷切換。

當這兩顆粒子足夠接近時，情況就變得非常非常複雜了。各種不同漣漪之間相互作用，期間的複雜過程可以用量子場論原理進行計算，並且在經過艱難龐雜的運算之後，我們的確可以解算出正確的結果——相互排斥，這兩個粒子將會各自向後彈開，但其具體的過程則極其複雜，完全不像子彈迎面碰撞那麼簡單。

因此，關於粒子間的相互作用，物理學家們總結說：「它們交換了虛粒子」——多麼簡答明了的描述！典型的欺騙——用看似簡單的名詞，將所有複雜的過程和概念打包隱藏了起來。這樣做很不錯，但不幸的是，這樣的描述並不十分準確。（晨風/新浪科技）

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