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虚粒子 发布于:

虚粒子(virtual particle)是指在量子力学中确实存在并具有可测量效应的粒子,曾经被人认为一种永远不能直接检测到的粒子。 虚粒子可以用来描述承载力的粒子,包括引力子、胶子、光子和玻色子。

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,起伏越大则时间越短,从这种能量起伏产生的粒子就是虚粒子。当能量恢复时,虚粒子湮灭。虚粒子是构成虚物质的微粒,和实物粒子有非常密切的关系,分布在实物粒子的周围,与实物粒子具有类似的性质。虚粒子不是为了研究问题方便而人为地引入的概念,而是一种客观存在。

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)。

大多数人认为,真空是空荡荡的。但是,根据量子电动力学(一门在非常小的规模上描述宇宙行为的理论),没有比这种观点更加荒谬的了。实际上,真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能,这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点能”中的“零”指的是,如果把宇宙温度降至绝对零度(宇宙可能的最低能态),部分能量就可能保留下来。实际上,这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存在分歧,但麦克莱已经计算出,大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。平行板电容器在辐射场真空态中存在吸引力的现象称为卡西米尔效应。考虑一个辐射的电磁场,根据波粒二象性,辐射场可以看作是光子气,而光子气可看作是电磁辐射场的简谐振动。电磁场量子化后,可把辐射场哈密顿写成二次量子化的形式。

可见对每个振动模式k,都有零点能(真空能)存在,这个结果是引入场量子化后的自然结果。由于真空能量的存在可以带来实验可观测的物理效应——卡什米尔效应。考虑一对距离为a的平行板电容器放在辐射场中,边界条件为:。可见随平行板距离的增大,所允许的振动模式越多,因此平行板电容器之间由于真空能量的存在而存在一种吸引力——卡什米尔力。反之如果认为不存在真空能,则没有这种力。在具体的计算过程中,由于U(a)的积分(求和)是发散的。为得到收敛的结果,数学上人为地引入一个切断因子。

在物理学里,虚粒子(virtual particle)是存在于极短的时间以及空间内。由于测不准原理的关系,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,像是遵守守恒定理。如果一个单一的粒子被侦测到,那代表了他存在的时间被延长到了使他不可能成为虚粒子的程度。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。因为他们只存在极短的时间里面(称之为有限的"range"),所以这些虚光子被允许拥有质量。这是根据不确定原理而来的,不确定原理允许粒子借来的能量乘上他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)。对于那些有真正有质量的粒子,他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 − pc = mc 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。

科学家发现宇宙存在分辨率的极限,这就是说我们可能无法看到更加遥远的宇宙。如果你站在数米之外,那么一般人的肉眼分辨率有一个极限,这是光学系统的最佳分辨距离。在天文学上,其工作原理也是一样的,这就是解释了我们为什么无法建造更大的望远镜,即便造出来了,也看不到更遥远的宇宙。最新的一项研究认为,宇宙实际上也有基本的分辨率极限,观测受到了限制。

目前世界上比较大的望远镜直径在10米左右,计划建造的望远镜达到30至40米,比如极大望远镜。如果宇宙存在极限分辨率,那么望远镜的直径也有上限,无论如何调整我们的光圈大小,也无法看到更加遥远的宇宙。事实上我们观测宇宙主要依靠光,遥远宇宙光传播到望远镜中需要通过大气湍流,这会形成一定的干扰。于是我们把望远镜安置到轨道上,可以解决,通过自适应光学系统技术也能够修正。

在国际天文学联合会大会上,科学家宣布了对宇宙极限分辨率的研究,担心未来的望远镜无法看到更加清晰的宇宙。在量子力学的尺度上,科学家预言宇宙中存在虚粒子,后续的粒子物理实验也不断观测到这些粒子现象。当遥远宇宙的光通过长距离的空间时,由虚粒子引发的时空泡沫就会产生干扰,这可能是未来望远镜观测上的一个技术瓶颈。

目前美国宇航局已经对这个现象进行研究,并在2018年发射的詹姆斯-韦伯望远镜进行验证。到目前为止,爱因斯坦的引力理论与量子力学还没有完美融合,如果我们能够弄清楚两种理论的特点,就能够创造出更先进的望远镜,对遥远星系的详细结构进行观测。在新的量子理论诞生之前,我们仍然受到宇宙观测分辨率的限制,宇宙的更大奥秘也可能永远隐瞒。

在“真空”的宇宙中,根据海森堡不确定性原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。斯蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况。如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个猜想有待证实。这种辐射被命名为“霍金辐射”。由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会渐渐变小,消失;它也向外带去信息,所以不违反信息定律。


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