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虚拟粒子真的存在吗?

当我们从基本层面考虑宇宙时,我们通常会考虑如何把宇宙中所包含的一切分解成自然的最小组成部分。物质可以分解成原子,分解成原子核和电子。核可以进一步分解成质子和中子,其中有夸克和胶子。其他不可分割的粒子,如光子和中微子,也渗透到宇宙中,以及标准模型的其他粒子,以及任何——假设它是粒子状的——恰好对暗物质负责。

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但是,如果将所有这些量子拿走,还剩下什么吗?没有这些粒子,容纳这些粒子的空空间是否真的一无所有,或者仅仅我们宇宙中有量子场的事实就意味着空空间实际上充满了物理的东西?

说到物理,你必须理解的第一件事是,它本质上是一门实验科学。这并不意味着理论努力没有其用途:理论和实验之间的相互作用是科学如何随着时间而发展。但它确实意味着,如果我们想要声称某样东西存在,它的存在:

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必须影响某种可测量或可观察到的数量,以可量化和可预测的方式,然后我们可以出去测量或观察执行这些测试超过一定的关键精度。如果我们能够清除这些障碍,我们要么确认这些预测得到验证,并看到预期效果,要么使这些预测无效,并证明其他一组效果(或没有效果)发生。只有通过测量和观察,物理理论、思想、概念或假设才能从证据中获得任何形式的有力支持。

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上图:经典力学(a)和量子力学(B-F)中粒子在盒子(也称为无限方阱)中的轨迹。在(A)中,粒子以匀速运动,来回反弹。在(B-F)中,对于相同的几何和势,给出了含时薛定谔方程的波函数解。横轴是位置,纵轴是波函数的实部(蓝色)或虚部(红色)。这些定态(B,C,D)和非定态(E,F)只给出粒子的概率,而不是粒子在某个特定时间的确切位置。

量子物理学的背后的想法,当它开始的时候,已经足够简单了。马克斯·普朗克(Max Planck) 的量子假说旨在解释热物体如何发射光(以黑体辐射的形式),假定光只能在离散的单个能量包中发射或吸收:量子。单个光量子的能量,今天称为光子,将等于该光乘以普朗克常数的频率。能量是量化的,能量量表表现为概率,所有形式的物质和量化能量都充当波和粒子,所有能量都以普朗克的常数作为量子领域的基本常数。

这些早期量子行为的观测结果后来被巩固为现代量子力学,其中:

每个量子都可以用波函数来描述,波函数描述了特定结果的相对概率,波函数在空间和时间上展开和演化,遵循一定的不确定性关系和排除规则,当相互作用发生时,能量在两个量子之间交换,波函数在那一瞬间只占据一个特定的量子态。每个粒子,基本粒子和复合粒子,都遵循这些新颖的量子规则,其中包含波和粒子的元素。

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但是量子力学的最初公式有一些问题。首先,它们不是相对论不变的。这意味着两个不同的观察者相对运动,因此经历时间不同,将得到两个不同的,不一致的预测。相对论量子力学取得了突破性进展,产生了Klein-Gordon方程、Dirac方程和Proca方程。但即便如此,当你做一些简单的事情,比如把两个电子靠近在一起时,还是有一个问题。

你可能会认为每个电子都产生自己的电(和磁性,如果它在移动)场。然后,另一个电子看到第一个电子产生的场,并根据它穿过的场来体验力。

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然而,在量子宇宙的背景下,这已经成为一个问题。场在特定位置推动粒子,然后将粒子的动量改变一定量。但是在位置和动量相互不确定的宇宙中,您不能简单地将它们视为具有特定的已知值。相反,这些场本身本质上必须是量子的:表现为算符,而不是具有确定值的数量。

我们如何将一个场——一个在空间中每个位置都具有特定“值”的东西,基于它与我们所拥有的每个来源的距离——变成一个本质上固有的量子的东西?

我们必须将这些场提升为算符:一个称为正则量子化的过程(或者,一种更现代但等效的方法是费曼的路径积分形式主义。)如果你能通过物质反物质的创造和湮灭、辐射过程或衰变来创造或摧毁粒子,你就需要量子场来描述事物。

这样做的方式是定义我们所说的真空(或最低能量,或地面)状态:一个零粒子的状态。这是建立所有其他状态的基础,其中包括包含一个、两个或任意大量粒子(或反粒子)的状态。但是,如果这些粒子相互作用,或者仅仅与真空状态本身相互作用,真空就会变得两极分化。

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上图:已经有许多人尝试在实验室环境中测量真空双折射的影响,例如用这里所示的直接激光脉冲装置。然而,到目前为止,他们还没有成功,因为这种影响太小了,在地磁场中看不到,甚至在伽马射线的GeV尺度上也看不到。

极化就是把一个场施加于某个物体上,“物体”本身对这个场作出反应。最常见的例子是介电介质,如陶瓷。它们在各种电气和电子应用中都很有用,因为如果对它们施加外部电场,它们就会产生自己的内部电场。如果去掉外场,内场就会消失。

那么,量子场理论带来的一个新事物——但不是常规量子力学——是真空本身可以变得两极分化:不仅仅是在电学上,而是在任何力或相互作用下。即使在没有带电源的情况下,由于外部场,我们仍可能出现真空极化。

这并不意味着真空空间本身充满了粒子,而是有量子力学算符,包括“粒子产生”和“粒子湮灭”算符,持续作用于真空状态。这通常被视为“粒子-反粒子对突然出现和消失”,但这一部分只是一个计算工具,用于可视化在真空空间的量子水平上发生的事情。

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然而,这种现象确实产生了真实的、可观察到的影响。其中一种被称为真空双折射:一个强大的外场可以导致这种类型的极化——产生一个内场——从而清空空间本身。在很长一段时间里,这被认为是不可观测的,但大自然给了我们一个机会,在那里,电场和磁场比其他任何已知的地方都强:在中子星附近。

不管你怎么想,中子星是由90%的中子组成的;它们的外层充满了电子、中子、质子和其他原子核。旋转速度高达 光速,这些以这种速度运动的带电粒子产生了巨大的电流和磁场。当光通过真空双折射发生的空间区域时,它就会极化,但前提是量子场论所固有的这一现象是真的。

2016年,首次观测到中子星周围光线的极化,证实了这张照片和一直追溯到海森堡的天体物理预测。

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但是还有第二个可以观察到的效应:卡西米尔效应。如果真空本身处于这个富于算符的状态,那么真空中应该充满所有可能的允许态的能量贡献。1948年,亨德里克·卡西米尔有一个想法,如果你设置了正确的边界条件,你就可以限制或禁止某些量子态在特定的空间区域内存在。如果这个区域外的量子真空对它没有任何限制,但是这个区域内的真空对它有限制,那么就会有一个微分力,这个区域本身就会收缩或者膨胀。

这个装置原理上很简单:将两个平行的导电板放置在真空中,这限制了板内部而非外部的电磁真空的可能状态。最终,在1997年-卡西米尔本人88岁的时候——物理学家史蒂夫·拉莫洛夫(Steve Lamoreaux)对卡西米尔效应进行了首次实验测量,确定两个间隔很近的平行板确实因为板块内外量子真空的不同而吸引。理论和实验以多种方式达成一致。

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因此,量子真空确实具有观测效应,这些效应在微米尺度上和天体物理学上通过恒星尺度进行了实验观测。然而,这并不意味着虚拟粒子在物理上是真实的。这意味着,在真空中使用虚拟粒子的计算工具,可以让我们对物质和能量在穿过真空空间时的行为,以及当应用外部场或边界条件时真空空间如何具有不同的特性进行定量预测。然而,这些粒子并不真实,因为我们不能碰撞或与它们相互作用。

然而,如果你有真正的粒子——即非真空状态——那么你用来计算量子真空的量子场理论技术实际上告诉你关于真正的物理粒子(和反粒子),这些粒子可以弹出和消失。例如,我们通常认为质子是由三个夸克构成的,由胶子粘在一起。但是,当我们对这些质子进行高能碰撞,并通过深无弹性散射探测它们的内部时,我们实际上会发现里面的各种额外粒子:额外的夸克和反夸克,极高密度的胶子,甚至还有轻子和额外的玻色子。虚拟粒子在富含粒子的环境中不仅"真实",而且粒子本身也是真实的。

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在真空中,不管你设置了什么边界条件,或者你的外场有多强,你都无法从量子真空中散射出去。然而,量子真空本身会对物质和通过它们的辐射产生真实的物理效应。真空被极化,这意味着它产生自己的内部场,这些内部场——不仅仅是外部场——影响物质和辐射通过。但是,那里没有粒子本身可以撞击、碰撞或散开。

量子真空的影响是真实的:虚拟粒子可视化是有用的,但粒子本身并不真实。只有当你的空间里有真正的粒子时,粒子场或粒子相互作用产生的虚拟粒子才能被直接检测出来,从某种意义上说,这说明它们的"真实性"。请记住,我们称任何"真实"事物的唯一理由是我们可以检测和测量它。虚拟粒子的影响是真实的,但粒子本身不是!

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