虚粒子是什么?简单物理学名词背后有复杂含义

2016年09月12日 09:06 新浪科技 微博
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什么是虚粒子?很多物理学名词听上去非常简洁明了,它们的存在似乎是将复杂物理概念包装到了一个简单明了的名词里面,让普通民众更容易理解它们。但这些都是错觉  什么是虚粒子?很多物理学名词听上去非常简洁明了,它们的存在似乎是将复杂物理概念包装到了一个简单明了的名词里面,让普通民众更容易理解它们。但这些都是错觉

  新浪科技讯 北京时间9月12日消息,据国外媒体报道,世界上有一些物理学名词听上去非常简洁明了,它们的存在似乎是将复杂物理概念包装到了一个简单明了的名词里面,让普通民众更容易理解它们。但这些都是错觉。很多物理学名词的字面意义与它真正所表达的物理学含义相去甚远。

  这里仅举一例:虚粒子(virtual particles)。这个物理名词的出现是为了回答一个古老的问题:粒子究竟是如何发生相互作用的?假如我们有两个带电粒子,我们将它们分别成为A和B。如果A和B两个粒子都带负电,比如说它们或许都是电子,当然也有可能是μ介子,这不重要。重要的是,当这两个带有负电荷的粒子相互接近时,它们会相互排斥。

  这样的排斥作用究竟是如何发生的?这两个粒子之间究竟是如何进行了沟通联系,从而知道对方的电荷属性并决定各自掉头,避免相互接触得到?

  这是一个非常有趣的基础问题,可以想象,如果我们能够对这一问题给出令人满意的答案,我们将能够洞察关于宇宙的深刻而重要的秘密。

  现代量子场论将光子视作是电磁力的携带者。前文中我们提到的A和B两个粒子都是带电粒子,因此它们会和光子之间发生相互作用。但很明显的是,A和B两个粒子并没有相互发射激光束进行沟通,因此,科学家们说,这两个粒子之间“交换了虚光子”。

  这究竟是什么意思?

  粒子与电磁场

  让我们先后退几步,回到旧时代,比如19世纪时物理学的情况。我们知道每个带电粒子都会产生电磁场,而这种电磁场几乎就是一本指南,决定了其他粒子将如何与其发生相互作用。对于一颗粒子而言,这种电磁场在其附近是最强的,随着距离的增加而逐渐减弱,另外,这一电磁场的方向从该粒子出发,指向各个方向。

  因此,从这一层面上看,我们的A粒子是产生了一个充满整个空间的电磁场。其他粒子,比如B粒子,都能够读懂这一指南并据此作出相应反应。当B粒子距离A粒子太远时,在B粒子看来,A粒子的电磁场强度很弱,就像它给出的说明书字太小了,看不清楚,因此它的运动不会受到什么明显的影响。但当B粒子越来越接近A粒子时,它会发现后者愈发强烈的电磁场中清晰无误地写着几个大字:走开!于是B粒子离开了。

  在上面这个设想的故事情节里,场是和粒子一样的真实存在。整个宇宙中充满物质,而场的作用是告诉物质该如何进行相互作用。

  场的重要性

  从20世纪初到20世纪中叶,物理学家们逐渐意识到宇宙实际上是一个远比我们原先所设想的要奇异的多的存在。当他们将狭义相对论与量子力学相结合,便发展出了量子场论,而这样做的结果却超出了所有人的预料。

  正如其名称所暗示的那样,“场”的地位再次被抬升了。在此之前“场”就像一张告示单,为它身后的粒子写明其他粒子在此的行为规范,而现在,“场”一下子成为了一种主要的物理学对象。根据这一对于宇宙的复杂的现代物理学观点,电子并非是一颗孤独的粒子,完全不是。相反,它被电磁场包围,充斥整个时空,就像浸没吐司面包的牛奶一样。

  于是,我们的观念改变了。“场”才是研究的主体对象。那么粒子呢?它们就像是场的平静水面中的一道能够自由传播的小小“涟漪”,或者组成“场”这张图像的一个小小像素。这是一个重要的概念。

  奇异的粒子

  从这里开始,事情逐渐变得令人困惑:一颗粒子从一处运动到另一处,在此期间它严格来说并非同一个粒子,或者说至少不是同一类粒子。

  你一定完全晕了,没关系,让我们回到A粒子和B粒子的例子上来。我们说这是两个带电粒子,因此从定义上说它们会和光子,也就是电磁场之间发生相互作用。因此电场(由电子组成的场)中的“涟漪”能够影响电磁场中的“涟漪”。因此,从字面意义看,随着A粒子的运动,它的一部分时间是扮演着电场中“涟漪”的角色,而它的另一部分时间则是扮演者电磁场中“涟漪”的角色。这也就意味着,有时候它是一个电子,但有时候它就是一个光子,也就是组成电磁场(EM)这张图像的一个小小像素!

  这还没完!情况还要比这糟糕的多!由A粒子扮演的电磁场涟漪可以转变为其他涟漪,比如说μ介子涟漪。对于宇宙中的任意一个基本粒子而言,都存在一个对应的场,并且它们之间都会相互交流,而在其中传播的粒子(涟漪)则会不断在不同的“场”之间来回切换。

  而当你将所有这些“涟漪”、“涟漪的涟漪”以及“涟漪的涟漪的涟漪”全部考虑在内,我们才能得到“一颗粒子从一处运动到另一处”的结果。

  从数学角度看,情况很快就变成了一团乱麻,但一些最顶尖的物理学家,比如理查德·费曼(Richard Feynman)则仍然能够从中理出头绪来并开展一些重要的科学工作。

  粒子与虚粒子

  好了,在经过这么长的背景介绍之后,我们终于将涉及正题。场中的“涟漪”会来回变化。如果这道“涟漪”持续存在并一直传播,此时我们便将其称作“粒子”(particles)。而如果这道“涟漪”很快就消亡了,我们就将其称作“虚粒子”(virtual particles)。但从最深层次的意义上去理解,那么它们都是“场”中的涟漪。

  当前文中提到的A粒子逐渐接近B粒子,它们并非像很多人想象中的那样像两颗子弹迎面接近。实际上它们是一系列复杂的“涟漪”,包含着各种不同的场,从一种场向另一种场不断切换。

  当这两颗粒子足够接近时,情况就变得非常非常复杂了。各种不同涟漪之间相互作用,期间的复杂过程可以用量子场论原理进行计算,并且在经过艰难庞杂的运算之后,我们的确可以解算出正确的结果——相互排斥,这两个粒子将会各自向后弹开,但其具体的过程则极其复杂,完全不像子弹迎面碰撞那么简单。

  因此,关于粒子间的相互作用,物理学家们总结说:“它们交换了虚粒子”——多么简答明了的描述!典型的欺骗——用看似简单的名词,将所有复杂的过程和概念打包隐藏了起来。这样做很不错,但不幸的是,这样的描述并不十分准确。(晨风)

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