浅谈虚粒子.doc

作者：喻麟佑博士(美国亚歷桑那大学物理学博士)浅谈虚粒子(virtual particles) 虚粒子(virtual particles)可分为两大类。其中一类是来自于真空中的量子起伏 (quantum fluctuation，或可称量子微扰)，亦即在真空中可自动生出粒子对之现象；另一类虚粒子则是在实粒子之间的交互作用中(interaction)扮演重要的角色。容后分别讨论之。上述粒子为何被称为虚粒子？最主要是因为其生命期(lifetime)极短，而极难被侦测到。首先，让我们讨论上述之第一类：在真空中自动生出粒子对之现象。根据近代的量子理论，真空中并不完全是“空无一物(empty void)”的，而是无法避免存在所谓的量子起伏 (quantum fluctuation)的 (此与海森堡的不确定原理相通)，因此，一对对的虚粒子、虚反粒子(virtual particle and virtual anti-particle，例如，正、负虚电子对)会自动地在真空中产生(如图一)注一。 更严格地说，在真空中“必须”产生虚粒子。然而，在绝大多数的情况下，这些无数的粒子对刚一产生，则又很快地相互湮灭了，以致于它们无法被仪器侦测到，似乎从未存在过一般。所以，这种粒子乃被称为虚粒子。另外，值得一提的是，虽然根据海森堡不确定原理，系统(在此指真空)的总能量，在某一很小的时间范围内是可以暂时不守衡的，但是，真空中虚粒子的总电荷必须时时守衡。当然，如果虚粒子是光子，则没有电荷守衡的问题。吾人可用海森堡不确定原理来估计虚粒子的生命期。 假设一对虚粒子是“黄色”虚光子 (“yellow” virtual photons) ，其波长公尺， 则其频率为 赫兹。又，按海森堡不确定原理： (焦耳秒) (因为两个光子) 秒可见其生命期相当的短。若虚粒子的能量愈高，则其生命期愈短。例如，一对正、负虚电子对(正电子与负电子对)，若只考虑静质能(the rest-mass energy)：焦耳秒所以，一对正、负虚电子对的生命期则更短！当然，若再考虑电子高速运动下的动能，则生命期就更加短了。另外，在某些特殊环境下，虚粒子可“被迫”成为实粒子(real particle)。如图二所示，在黑洞 (black hole)周围之视界(event horizon) 注二外侧附近，当有些虚粒子、虚反粒子对产生后，其中一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子则逃了出来，由于这逃出来的粒子，失去了和它湮灭的对象，这个虚粒子就变成了实粒子。如果虚粒子(virtual particle)被吸入黑洞，逃出来的虚反粒子(virtual anti-particle)就成为实反粒子(real anti-particle)；如果虚反粒子(virtual anti-particle)被吸入黑洞，逃出来的虚粒子就成为实粒子(real particle)注三。这附带一个大问题：虚粒子“被迫”成为实粒子后，质能守衡律永久性地被违反了怎么办呢？难怪还有白洞理论：对应我们这个正时空(positive space-time)的正宇宙(positive universe)的另一端，还另有一个负时空(negative space-time)的负宇宙(negative universe)，其质能是负的，也就是说，当在正宇宙(positive universe)中形成正质能，则在负宇宙中也相对地形成了负质能这里扯远了以后另文再叙。其次，谈到交互作用中的虚粒子，有一种著名的虚粒子，称为虚粒子(virtual pions有 virtual、，please do not mix them up with free pions )，是它导致了原子核内质子与中子之间的强交互作用力(strong interaction)，它的质量是电子的两百多倍，而生命期极短。在一秒中的时间里可有无数次的生灭，它就是如此不断地在原子核内产生并消逝，见图三：中子与质子交互作用之费因曼图像(Feynman diagram)。当然，根据量子电动力学理论(QED, Quantum Electrodynamics)，造成电磁交互作用力(the electromagnetic interaction)的，其实是虚光子(virtual photons)，请参考图四：电子与电子交互作用之费因曼图像(Feynman diagram)。如图所示，电子可以“放出”光子、也可“吸收”光子，而形成了电磁交互作用力。由于光子无静止质量(rest mass)，乃是以光速在跑，以致于电磁交互作用力可以是长程交互作用力(long-range interaction)；而虚粒子有静止质量，不可能以光速在跑，故跑不远(因生命期极短)，以致于强交互作用力必须是短程交互作用力(short-range interaction)。 纵使虚粒子不易被仪器侦测到，其它物质仍有可能会受到其某种影响。举例来说，真空是会有某种“阻力”的。 有一个更有趣且难以理解的现象，是伴随着电子周围的虚粒子，由近代的量子理论 - 量子电动力学(quantum electrodynamics)可预测在电子的周围，会有为数极多的虚粒子对产生，每一对各带相反电荷，它们极快速地对生与对灭。理论物理学家推测这难以计数的虚粒子，会导致某种对电子电磁力的遮蔽效应，换句话说，吾人在一般距离测得电子的电荷量，事实上小于电子本身(无遮蔽)的电荷量。最近实验物理学家利用相当先进的仪器，更深一层地探测，证实了这推论。另外，近代著名的开斯米尔效应 (Casimir Effect)，也明确地证实了虚光子在真空中产生之现象，在此不加赘述了。 由以上可知，在虚空中，违反质能守衡律，而生出粒子，粒子也会消失在虚空里，说真的，什么是有？什么是无？什么是空？在小小的世界里，每秒钟却有超过百亿次的生灭，这真是宇宙现象界无常的特性。这一切，很值得吾人深思。附注：注一：此不可与一般课本中所讲的对生、对灭(pair production and pair annihilation)相混淆。虚粒子的产生，是