虚粒子

虚粒子（virtual particle），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输出量中，那些输入输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳（off mass shell）的粒子。例如，它们沿时间反演、能量不守恒、以超光速移动，每条看起来都和物理基本原理相悖。虚粒子发生在那些大致可被实输出量相消的组合项中，因此才产生前述那些不实的冲突。虚粒子的虚“事件”通常看起来是一个紧接着另一个发生，例如在一次撞击的时长中，所以他们显得短命。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”发生什么，是不可直接观测的，也没有可用以描述的单一而且物理明确的图像。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。

虚粒子不必具有和对应实粒子相等的质量。这是因为它短命而且瞬变，所以不确定性原理允许它不必守恒能量和动量。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。

不应将反粒子跟虚粒子或者虚反粒子相混淆。

## 理论

由于测不准原理，虚粒子的能量与动量都是不确定的。虚粒子也有一些和实粒子(real particle)相同的特性，像是遵守守恒定律。如果一个单一的粒子被侦测到，那代表了它存在的时间长到了使它不可能成为虚粒子的程度，即虚粒子是不可能被观测到的。

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大于普朗克常数即可。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)。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:

$E^{2}$ − $p^{2}c^{2}$ = $m^{2} c^{4}$

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。

## 性质

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:$E^{2}$ − $p^{2}c^{2}$ = $m^{2} c^{4}$ 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---事实上，动能可以是负的，动量可以是虚的。对于这种几率振福的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，而且根本没有出现在非微扰的状况之下。

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。

## 证实

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:

- 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，所以库伦场的有效距离是无限的。
- 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。
- 许多所谓天线的近场，这种在天线内改变电流所产生的电场与磁场的效应，还有在电线里的电容改变的效应可能是(而且常常是)对接近天线的电磁场有重大的贡献，但是以上这两种效应都是偶极矩效应，而偶极矩效应则是会随着距离天线愈远则越弱，这种变弱的速度是比我们传统上说的这种“远”距电磁波还要快许多（“远”的意思是在天线的长度或直径与波长的比例的这种级距）。这些远场的电磁波，电场（$E$）等价于光速乘上磁场（$cB$），是由实光子来组成的。这边应该要特别提醒一下，实光子以及虚光子在天线附近时是混杂的一起的，虚粒子只贡献“多出的”磁感应和短暂的电偶极效应，这些是导致电场和光速乘上磁场之间的不平衡。当距离离天线越来越远，近场效应则快速的消逝，只剩下由实光子“辐射”成为最重要的性应。虽然虚的效应可以延伸到无限远，但它们场的强度减弱的速度是与距离的平方成反比而不是像由实光子组成的电磁场那样是与距离的倒数成正比（能量下降则分别是与距离四次方倒数成正比，与距离二次方倒数成正比）详细的内容可以参考近场和远场。

## 外部链接

- Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? — Gordon Kane, director of the Michigan Center for Theoretical Physics at the University of Michigan at Ann Arbor, proposes an answer at the Scientific American website.
- Virtual Particles: What are they?