虛粒子（英語(yǔ)：Virtual Σ粒子），又稱為虛構(gòu)粒子、假想粒子，是在量子場(chǎng)論的數(shù)學(xué)計(jì)算中建立的一種解釋性概念，指代用來(lái)描述亞原子過(guò)程例如撞擊過(guò)程中粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)。但是，虛粒子并不直接出現(xiàn)在計(jì)算過(guò)程的那些可觀測(cè)的輸入輸出量中，那些輸入輸出量只代表實(shí)粒子，虛粒子項(xiàng)代表那些所謂離質(zhì)量殼（Off 質(zhì)量 Shell）的粒子。
虛粒子出現(xiàn)在許多過(guò)程中，如粒子擴(kuò)散和卡西米爾效應(yīng)。在量子場(chǎng)論中，即使是經(jīng)典力例如電荷間的電磁吸引力和推斥力，也可被認(rèn)為是源于荷間的虛粒子的交換。虛粒子沿時(shí)間反演、能量不守恒、以超光速移動(dòng)，每條看起來(lái)都和物理基本原理相悖。虛粒子發(fā)生在那些大致可被實(shí)輸出量相消的組合項(xiàng)中，因此才產(chǎn)生前述那些不實(shí)的沖突。虛粒子的虛“事件”通?？雌饋?lái)是一個(gè)緊接著另一個(gè)發(fā)生，例如在一次撞擊的時(shí)長(zhǎng)中，所以他們顯得持續(xù)時(shí)間較短。如果在計(jì)算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果將變成近似值，有可能較大地偏離完整計(jì)算得到的正確而且精確的結(jié)果。
基本定義
根據(jù)量子力學(xué)的 不確定性原理，宇宙中的能量于短暫時(shí)間內(nèi)在固定的總數(shù)值左右起伏，起伏越大則時(shí)間越短，從這種能量起伏產(chǎn)生的粒子就是虛粒子。當(dāng)能量恢復(fù)時(shí)，虛粒子湮滅。虛粒子是構(gòu)成虛物質(zhì)的微粒，和實(shí)物粒子有非常密切的關(guān)系，分布在實(shí)物粒子的周圍，與實(shí)物粒子具有類似的性質(zhì)。虛粒子不是為了研究問(wèn)題方便而人為地引入的概念，而是一種客觀存在。
主要性質(zhì)
大多數(shù)人認(rèn)為，真空是空蕩蕩的。但是，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)（一門在非常小的規(guī)模上描述宇宙行為的理論），沒(méi)有比這種觀點(diǎn)更加荒謬的了。實(shí)際上，真空中到處充滿著稱作“零點(diǎn)能量”的電磁能，這正是麥克萊希望加以利用的能量?！傲泓c(diǎn)能”中的“零”指的是，如果把宇宙溫度降至 絕對(duì)零度（宇宙可能的最低能態(tài)），部分能量就可能保留下來(lái)。實(shí)際上，這種能量是相當(dāng)多的。物理學(xué)家對(duì)究竟有多少能量仍存在分歧，但麥克萊已經(jīng)計(jì)算出，大小相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的真空區(qū)所含的能量可能與整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量一樣多。平行板電容器在輻射場(chǎng)真空態(tài)中存在吸引力的現(xiàn)象稱為卡西米爾效應(yīng)?？紤]一個(gè)輻射的電磁場(chǎng)，根據(jù)波粒二象性，輻射場(chǎng)可以看作是光子氣，而光子氣可看作是電磁輻射場(chǎng)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。電磁場(chǎng)量子化后，可把輻射場(chǎng)哈密頓寫成二次量子化的形式。
可見(jiàn)對(duì)每個(gè)振動(dòng)模式k，都有零點(diǎn)能量（真空能）存在，這個(gè)結(jié)果是引入場(chǎng)量子化后的自然結(jié)果。由于真空能量的存在可以帶來(lái)實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)的物理效應(yīng)——卡什米爾效應(yīng)。考慮一對(duì)距離為a的平行板電容器放在輻射場(chǎng)中，邊界條件為：?？梢?jiàn)隨平行板距離的增大，所允許的振動(dòng)模式越多，因此平行板電容器之間由于真空能量的存在而存在一種吸引力——卡什米爾力。反之如果認(rèn)為不存在真空能，則沒(méi)有這種力。在具體的計(jì)算過(guò)程中，由于U(a)的積分（求和）是發(fā)散的。為得到收斂的結(jié)果，數(shù)學(xué)上人為地引入一個(gè)切斷因子。
在物理學(xué)里，虛粒子(virtual Σ粒子)是存在于極短的時(shí)間以及空間內(nèi)。由于不確定性原理的關(guān)系，虛粒子的能量與動(dòng)量都是不確定的。虛粒子也有一些和實(shí)粒子(real particle)相同的特性，像是遵守守恒定理。如果一個(gè)單一的粒子被偵測(cè)到，那代表了他存在的時(shí)間被延長(zhǎng)到了使他不可能成為虛粒子的程度。虛粒子被用來(lái)描述那些無(wú)法用實(shí)粒子來(lái)描述的基本交互作用力的量子，靜力場(chǎng)就是其中一個(gè)例子，像是電場(chǎng)或磁場(chǎng)，或是任何一種場(chǎng)，都無(wú)法以光的速度從一個(gè)位置來(lái)攜帶訊息至另一個(gè)位置(借由場(chǎng)來(lái)傳播的資訊必須由實(shí)粒子來(lái)當(dāng)載子)。虛光子也是一種近場(chǎng)的主要載子，而這種近場(chǎng)是一種短距的效應(yīng)，而且不會(huì)擁有像電磁波的光子那樣的特色。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，當(dāng)能量從纏繞的變壓器到另一臺(tái)變壓器，或到MRI的掃描器上時(shí)，就量子而言這種攜帶能量的是虛光子而不是實(shí)光子。虛粒子是由無(wú)質(zhì)量的粒子所組成，像是光子，但虛粒子也是可能有質(zhì)量的且被稱之為離殼。因?yàn)樗麄冎淮嬖跇O短的時(shí)間里面(稱之為有限的"range")，所以這些虛光子被允許擁有質(zhì)量。這是根據(jù)不確定原理而來(lái)的，不確定原理允許粒子借來(lái)的能量乘上他們存在的時(shí)間小于普朗克常數(shù)即可。擁有質(zhì)量更使得了單一的虛粒子更容易從帶電的基本粒子被創(chuàng)造和射出，而這對(duì)于無(wú)質(zhì)量的光子在沒(méi)有違反能量跟動(dòng)量守恒之下是不可能發(fā)生的(單一的實(shí)粒子要被創(chuàng)造或射出必定是擁有兩個(gè)以上粒子的系統(tǒng))。對(duì)于那些有真正有質(zhì)量的粒子，他們的虛態(tài)仍然會(huì)破壞狹義相對(duì)論理的能量動(dòng)量關(guān)系，有質(zhì)量的粒子基本上都會(huì)利用以下的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè):
E ? pc = mc 因?yàn)檫@些理由，通常力的載子都是無(wú)質(zhì)量的，主要的例外就是弱作用力中的W+/-和Z玻色子。虛粒子的概念很接近量子波動(dòng)的想法。虛粒子可以被想成是進(jìn)入一種實(shí)體的量，就像是電場(chǎng)一般，而這個(gè)量是在量子力學(xué)所要求的期望值附近擾動(dòng)。
時(shí)空泡沫
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙存在分辨率的極限，這就是說(shuō)我們可能無(wú)法看到更加遙遠(yuǎn)的宇宙。如果你站在數(shù)米之外，那么一般人的肉眼分辨率有一個(gè)極限，這是光學(xué)系統(tǒng)的最佳分辨距離。在天文學(xué)上，其工作原理也是一樣的，這就是解釋了我們?yōu)槭裁礋o(wú)法建造更大的望遠(yuǎn)鏡，即便造出來(lái)了，也看不到更遙遠(yuǎn)的宇宙。最新的一項(xiàng)研究認(rèn)為，宇宙實(shí)際上也有基本的分辨率極限，觀測(cè)受到了限制。
目前世界上比較大的望遠(yuǎn)鏡直徑在10米左右，計(jì)劃建造的望遠(yuǎn)鏡達(dá)到30至40米，比如極大望遠(yuǎn)鏡。如果宇宙存在極限分辨率，那么望遠(yuǎn)鏡的直徑也有上限，無(wú)論如何調(diào)整我們的光圈大小，也無(wú)法看到更加遙遠(yuǎn)的宇宙。事實(shí)上我們觀測(cè)宇宙主要依靠光，遙遠(yuǎn)宇宙光傳播到望遠(yuǎn)鏡中需要通過(guò)大氣湍流，這會(huì)形成一定的干擾。于是我們把望遠(yuǎn)鏡安置到軌道上，可以解決，通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)也能夠修正。
在國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)上，科學(xué)家宣布了對(duì)宇宙極限分辨率的研究，擔(dān)心未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡無(wú)法看到更加清晰的宇宙。在量子力學(xué)的尺度上，科學(xué)家預(yù)言宇宙中存在虛粒子，后續(xù)的粒子物理實(shí)驗(yàn)也不斷觀測(cè)到這些粒子現(xiàn)象。當(dāng)遙遠(yuǎn)宇宙的光通過(guò)長(zhǎng)距離的空間時(shí)，由虛粒子引發(fā)的量子泡沫就會(huì)產(chǎn)生干擾，這可能是未來(lái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)上的一個(gè)技術(shù)瓶頸。
目前美國(guó)航空航天局已經(jīng)對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行研究，并在2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行驗(yàn)證。到目前為止，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的引力理論與量子力學(xué)還沒(méi)有完美融合，如果我們能夠弄清楚兩種理論的特點(diǎn)，就能夠創(chuàng)造出更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)遙遠(yuǎn)星系的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。在新的量子理論誕生之前，我們?nèi)匀皇艿接钪嬗^測(cè)分辨率的限制，宇宙的更大奧秘也可能永遠(yuǎn)隱瞞。
霍金輻射
在“真空”的宇宙中，根據(jù)海森堡不確定性原理，會(huì)在瞬間憑空產(chǎn)生一對(duì)正反虛粒子，然后瞬間消失，以符合能量守恒。在黑洞視界之外也不例外。斯蒂芬·霍金推想，如果在黑洞外產(chǎn)生的虛粒子對(duì)，其中一個(gè)被吸引進(jìn)去，而另一個(gè)逃逸的情況。如果是這樣，那個(gè)逃逸的粒子獲得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮滅，可以逃逸到無(wú)限遠(yuǎn)。在外界看就像黑洞發(fā)射粒子一樣。這個(gè)猜想后來(lái)被證實(shí)，這種輻射被命名為“霍金輻射”。由于它是向外帶去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能量，黑洞的質(zhì)量也會(huì)漸漸變小，消失；它也向外帶去信息，所以不違反信息定律。
主要界限
事實(shí)上，實(shí)粒子與虛粒子并沒(méi)有一條很清楚的界線——物理上的方程式只是描述粒子(兩者都等價(jià)的包含在里面)。虛粒子存在的振幅和不存在的振幅抵消，然而對(duì)于實(shí)粒子的狀況來(lái)說(shuō)，存在與不存在的振幅在互相之間達(dá)成的共振，且不再相消。就量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)而言，“實(shí)粒子”可以被視為在量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)之下可以被偵測(cè)到的激發(fā)態(tài)。就其本身而論，虛粒子也是一種在場(chǎng)的基礎(chǔ)之下的激發(fā)態(tài)，但不同的是被偵測(cè)到的是力而不是粒子。
它們可以被“暫時(shí)的”被想成只出現(xiàn)在計(jì)算當(dāng)中，而不是真正的被偵測(cè)到的粒子。因此，以數(shù)學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它們?cè)谏⑸渚仃嚴(yán)锔緵](méi)有出現(xiàn)任何的指標(biāo)，也就是說(shuō)，它們根本沒(méi)有任何可以被觀測(cè)到的部分。在這種圖象之下，虛粒子是一種微擾理論的人為產(chǎn)物。
在現(xiàn)代物理中對(duì)虛粒子有兩種主要的見(jiàn)解與想法。它們出現(xiàn)在費(fèi)曼圖的中間項(xiàng)，也就是說(shuō)是微擾計(jì)算里的一個(gè)項(xiàng)?；蚴撬鼈円渤霈F(xiàn)來(lái)當(dāng)作被加總或積分整個(gè)半非微擾的效應(yīng)的無(wú)限多組態(tài)。就后面這種說(shuō)法，有時(shí)候會(huì)被認(rèn)為是虛粒子造成這種效應(yīng)，亦或是因?yàn)樘摿Ｗ拥拇嬖诙斐蛇@種效應(yīng)。
已經(jīng)有許多可觀測(cè)到的物理現(xiàn)象是因?yàn)樘摿Ｗ拥慕换プ饔枚a(chǎn)生的。對(duì)于那些當(dāng)它們是自由粒子且是“實(shí)”粒子的狀況下還顯示出有靜止質(zhì)量的玻色子，虛的交互作用由交換粒子而產(chǎn)生的相對(duì)短距離的力的交互作用來(lái)描繪。弱作用力和強(qiáng)作用力就是短距交互作用的兩個(gè)例子，而且它們與場(chǎng)玻色子有關(guān)。
而對(duì)于重力與電磁力，沒(méi)有靜止質(zhì)量的玻色子允許用虛粒子來(lái)扮演長(zhǎng)距力之間的角色。然而，在光子的例子當(dāng)中，能量以及資訊的傳送是借由相對(duì)短距的虛粒子。
以下是一些可能被視為由虛粒子產(chǎn)生的場(chǎng)交互作用:
1、在電荷之間的庫(kù)倫力（靜態(tài)的電力）。它是由交換虛光子而來(lái)的。在對(duì)稱的三維空間里這樣的交換虛光子造成與距離平方的倒數(shù)成正比的電力。因?yàn)檫@種光子沒(méi)有質(zhì)量，所以電場(chǎng)的有效距離是無(wú)限的。
關(guān)于這個(gè)點(diǎn)，我再給大家舉一個(gè)里一個(gè)例子，方便大家來(lái)理解。
粒子究竟是如何發(fā)生相互作用的？假如我們有兩個(gè)帶電粒子，我們將它們分別命名為A和B。如果A和B兩個(gè)粒子都帶負(fù)電，比如說(shuō)它們或許都是電子，當(dāng)然也有可能是μ介子，這不重要。重要的是，當(dāng)這兩個(gè)帶有負(fù)電荷的粒子相互接近時(shí)，它們會(huì)相互排斥。
這樣的排斥作用究竟是如何發(fā)生的？這兩個(gè)粒子之間究竟是如何進(jìn)行了溝通聯(lián)系，從而知道對(duì)方的電荷屬性并決定各自掉頭，避免相互接觸得到？
這是一個(gè)非常有趣的基礎(chǔ)問(wèn)題，可以想象，如果我們能夠?qū)@一問(wèn)題給出令人滿意的答案，我們將能夠洞察關(guān)于宇宙的深刻而重要的秘密。
真實(shí)的情況很復(fù)雜，但物理學(xué)家們總結(jié)說(shuō)：“它們交換了虛粒子”——多么簡(jiǎn)直明了的描述！典型的欺騙——用看似簡(jiǎn)單的名詞，將所有復(fù)雜的過(guò)程和概念打包隱藏了起來(lái)。這樣做很不錯(cuò)，但不幸的是，這樣的描述并不十分準(zhǔn)確。
不過(guò)這個(gè)案例，足以讓你們理解和了解虛粒子的概念和作用了吧。
2、在磁偶極矩之間的磁場(chǎng)。它也是由交換虛光子而來(lái)，在對(duì)稱的三維的空間這樣的交換虛光子造成與距離平方的倒數(shù)成正比的磁力。因?yàn)檫@種光子也沒(méi)有質(zhì)量，所以磁場(chǎng)的有效距離也是無(wú)限的。
根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，宇宙中的能量于短暫時(shí)間內(nèi)在固定的總數(shù)值左右起伏，從這種能量起伏產(chǎn)生的粒子就是虛粒子。當(dāng)能量恢復(fù)平衡時(shí)，虛粒子湮滅。
虛粒子用來(lái)描述承載力的粒子，包括引力子（承載引力）、膠子（承載強(qiáng)力）、光子（承載電磁力）、和玻色子（承載弱力）。
我們舉例來(lái)說(shuō)，我在《變化》中，就強(qiáng)調(diào)過(guò)真空不空。我個(gè)人的認(rèn)為是真空不空，真空具有能量。我甚至相信這句話應(yīng)該被作為定律被科學(xué)家所熟知。
支持真空的不空的理論有很多而且是相聯(lián)系的。更體現(xiàn)了它的正確性。
支持理論1. 絕對(duì)零度不可達(dá)到，真空也不例外，所以真空是有能量的?。?/p>
支持理論2。海森堡不確定性原理表明，我們不可能同時(shí)精確地測(cè)出一對(duì)共軛量，所以，可以“空”，不能“無(wú)”。因此，在真空中，粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對(duì)的形式產(chǎn)生，而又互相湮滅，在這個(gè)過(guò)程中，總的能量保持不變。
支持理論3、一個(gè)瑞典物理學(xué)家小組成功地實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“無(wú)中生有”——首次從真空中創(chuàng)造出閃光。
該小組讓一個(gè)特殊組件在磁場(chǎng)中以1/20倍光速移動(dòng)，并通過(guò)改變磁場(chǎng)的方向?qū)е略摻M件出現(xiàn)“震動(dòng)”。這樣做的結(jié)果是從真空中產(chǎn)生了一束粒子流——這完全符合理論預(yù)計(jì)。這一不尋常的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是物理學(xué)的一項(xiàng)重大進(jìn)展，并引起了全世界物理學(xué)界的關(guān)注。
真空為什么不空，四大原因讓你相信真空不空！
這一現(xiàn)象基于一個(gè)詭異的理論，量子力學(xué)。這一理論提出：真空并不存在，所謂的真空中其實(shí)充斥著粒子，只是這些粒子太微小，并且不斷的產(chǎn)生和消失，因此難以探測(cè)。
支持理論4、卡西米爾效應(yīng)。即在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子的數(shù)目比正常數(shù)目小造成的。
所以虛粒子雖然觀測(cè)不到，但其存在還是有意義。再通俗給大家說(shuō)一下。虛粒子是人為假設(shè)的粒子，目前的手段是觀測(cè)不到的，如果觀測(cè)到了，那就不是虛粒子了。
以“希格斯玻色子”來(lái)說(shuō)，2013年之前，處于假說(shuō)階段，不一定存在。就可以說(shuō)它是一種“虛粒子”，是為賦予其他質(zhì)量而需要出現(xiàn)的一個(gè)粒子。2013年之后，證實(shí)其存在，自然就是實(shí)粒子。
再比如，引力子現(xiàn)在就是沒(méi)有被證實(shí)的。可以說(shuō)是一種“虛粒子”，就是傳遞引力的粒子，就好像是若隱若現(xiàn)于宇宙之中的，我們觀測(cè)不到。它快閃快現(xiàn)，但宇宙整體其實(shí)是“平衡”的。
還有比如有“虛光子”這樣詞。其實(shí)也是虛粒子了。只是說(shuō)有的假說(shuō)粒子，在一開(kāi)始就以其他名字存在的了。而一些現(xiàn)象，比如卡西米爾效應(yīng)，為了解釋這樣的現(xiàn)象，我們說(shuō)是虛粒子在起作用。當(dāng)然也可以用“卡西米爾粒子”來(lái)說(shuō)。假設(shè)過(guò)幾年，人類研究卡西米爾效應(yīng)時(shí)觀察到了起作用的粒子，那么就會(huì)排除這種虛粒子微擾。將發(fā)現(xiàn)的這種粒子可以正式命名為“卡西米爾粒子。”
還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，虛粒子和反粒子是兩個(gè)概念。反粒子都是實(shí)粒子。能夠觀察到的。
還有一個(gè)粒子，比如說(shuō)暗物質(zhì)，暗能量的概念，就和虛粒子的概念有接近。暗物質(zhì)，暗能量的概念也是為了解釋宇宙膨脹而假設(shè)出的物質(zhì)。為了來(lái)迎合理論，不然現(xiàn)階段觀察不符合理論。
現(xiàn)實(shí)的宇宙法則，可能會(huì)令你大吃一驚。虛的不一定是虛的，有一天會(huì)變成實(shí)的，實(shí)的有一天會(huì)變成虛的。但虛和實(shí)都是一種客觀存在。道家的宇宙哲學(xué)就是這樣的。
摘自獨(dú)立學(xué)者靈遁者量子力學(xué)科普書籍《見(jiàn)微知著》
參考資料 >
什么是量子力學(xué).今日頭條.2024-03-01
Virtual Particles: What are they?.profmattstrassler.com.2024-03-03
Virtual particles.www.symmetrymagazine.org.2024-03-03
virtual-particles.www.newscientist.com.2024-03-03
虛粒子引發(fā)時(shí)空泡沫 宇宙可能永遠(yuǎn)看不清.騰訊.2015-11-24