浅谈虚粒子

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(virtualparticles)虚粒子(virtualparticles)可分为两大类。其中一类是来自于真空中的「量子起伏(quantumfluctuation，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(emptyvoid)”的，而是无法避免存在所谓的「量子起伏(quantumfluctuation)」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(virtualparticleandvirtualanti-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”virtualphotons)，其波长75.510公尺，则其频率为81473.0105.5105.510c赫兹。又，按海森堡不确定原理：4hEt:(346.6261810h焦耳．秒)4()htE:4(2)hth:(因为两个光子2Ehhh)171417.21085.510t: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(therest-massenergy)：23182229.1110(3.010)eEmc131.6410焦耳4()htE:3422136.626101.61081.6410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(realparticle)」。如图二所示，在黑洞(blackhole)周围之视界(eventhorizon)[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(virtualparticle)被吸入黑洞，逃出来的虚反粒子(virtualanti-particle)就成为实反粒子(realanti-particle)；如果虚反粒子(virtualanti-particle)被吸入黑洞，逃出来的虚粒子就成为实粒子(realparticle)[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(positivespace-time)」的「正宇宙(positiveuniverse)」的另一端，还另有一个「负时空(negativespace-time)」的「负宇宙(negativeuniverse)」，其质能是负的，也就是说，当在「正宇宙(positiveuniverse)」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π粒子(virtualpions有virtual、、0，pleasedonotmixthemupwithfreepions)，是它导致了原子核内质子与中子之间的强交互作用力(stronginteraction)，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(Feynmandiagram)。当然，根据量子电动力学理论(QED,QuantumElectrodynamics)，造成电磁交互作用力(theelectromagneticinteraction)的，其实是虚光子(virtualphotons)，请参考图四：电子与电子交互作用之费因曼图像(Feynmandiagram)。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(restmass)，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-rangeinteraction)；而虚π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-rangeinteraction)。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(quantumelectrodynamics)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(CasimirEffect)，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(pairproductionandpairannihilation)相混淆。虚粒子的产生，是允许违反质能守衡律的(在较短的时间内)。[注二]：在视界(eventhorizon)以内，即使光也无法逃出。[注三]：例如虚电子(virtualelectron)被吸入黑洞，则虚正电子(virtualpositron)就成为实正电子(realpositron)了。