浅谈虚粒子浅谈虚粒子.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π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