宇宙中真的充滿了量子泡沫嗎？

第二十六章：虛粒子

虛粒子這個詞，相信大家並不陌生，都聽過。可是虛粒子是什麼？大家就非常陌生了，要不然它不會叫「虛粒子」。 今天我們一起來說說虛粒子。

在要討論虛粒子這一章的開始，我要強調，虛粒子重在一個「虛」字，區別於實粒子。也就是說下面我們講到的很多關於虛粒子的知識，都是假設，沒有證實。

但不能說它沒有用，因為還需要用這個虛粒子來解釋一些量子力學以及時空微擾等理論。

所以虛粒子(virtual particle)，意即虛構粒子、假想粒子，是在量子場論的數學計算中建立的一種解釋性概念，指代用來描述亞原子過程。

例如撞擊過程中粒子的數學項。但是，虛粒子並不直接出現在計算過程的那些可觀測的輸入或輸出量中，那些輸入或輸出量只代表實粒子。虛粒子項代表那些所謂離質量殼的粒子。

虛粒子的虛「事件」通常看起來是一個緊接著另一個發生，例如在一次撞擊事件中，它們存在的時間很短。如果在計算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數學項，計算結果將變成近似值，有可能較大地偏離完整計算得到的正確而且精確的結果。

量子理論不同於經典理論。區別在於對於亞原子過程的內部機制的計算。經典物理不能處理這種計算。海森堡認為，在亞原子過程例如碰撞中，到底「實際上」「真正」發生了什麼，是不可直接觀測的，也沒有可用以描述的單一且物理明確的圖像。

量子力學具有這樣的特質：即它可以避開關於內部機制的思考。它把自己限制在那些實際上可觀測可感知的方面。但是，虛粒子則是一種概念化的手段，通過給亞原子過程的內在機制提供假設性的詮釋性圖像，它試圖繞過海森堡的洞察。下面會給大家舉例說明，這樣才好理解。

有一點，我們可以大膽猜想，虛粒子存活得越久，它的特徵就越接近實粒子。

虛粒子出現在許多過程中，包括粒子擴散和卡西米爾效應。在量子場論中，即使是經典力 -- 例如電荷間的電磁吸引力和推斥力 -- 也可被認為是源於荷間的虛光子交換。

虛粒子被用來描述那些無法用實粒子來描述的基本交互作用力的量子，靜力場就是其中一個例子，像是電場或磁場，或是任何一種場，都無法以光的速度從一個位置來攜帶訊息至另一個位置(藉由場來傳播的資訊必須由實粒子來當載子)。

虛光子【不能直接被觀測的光子】也是一種近場的主要載子，而這種近場是一種短距的效應，而且不會擁有像電磁波的光子那樣的特色。舉個例子來說，當能量從纏繞的變壓器到另一台變壓器，或到MRI的掃描器上時，就量子而言這種攜帶能量的是虛光子而不是實光子。

虛粒子是由無質量的粒子所組成，像是光子，但虛粒子也是可能有質量的且被稱之為離殼。因為它們只存在極短的時間裡面(稱之為有限的"range")，所以這些虛粒子被允許擁有質量。這是根據不確定原理而來的，不確定原理允許粒子的能量乘上它們存在的時間小於普朗克常數即可。

擁有質量更使得了單一的虛粒子更容易從帶電的基本粒子被創造和射出，而這對於無質量的光子在沒有違反能量跟動量守恆之下是不可能發生的(單一的實粒子要被創造或射出必定是擁有兩個以上粒子的系統)。可以去參考一下希格斯機制，希格斯場的知識來理解。

對於那些有真正有質量的粒子，它們的虛態仍然會破壞狹義相對論理的能量動量關係，有質量的粒子基本上都會利用以下的關係來預測：

因為這些理由，通常力的載子都是無質量的，主要的例外就是弱作用力中的W+/-和Z玻色子。

虛粒子的概念很接近量子波動的想法。虛粒子可以被想成是進入一種實體的量，就像是電場一般，而這個量是在量子力學所要求的期望值附近擾動。

虛粒子的這個概念是從量子場論里的微擾理論而來的，一個大約的圖象就是實粒子之間的交互作用是藉由交換虛粒子來計算。任何的一種有包含虛粒子的過程都可以用可以幫助了解計算的費曼圖來表示。

虛粒子在很短的時間之內是不需要完全的遵守：

{displaystyle E^{2}}關係式。換言之，它的動能和動量可能可以擁有不像平常我們熟知的關係。對於這種存在是會被因長時間和長距離而產生相消性干涉而抵消，且虛粒子可以被視為量子糾纏，量子穿隧效應的一種證實。由虛粒子所攜帶的力的作用範圍是被不確定原理所限制住，而不確定原理則視能量與時間是共軛變數；因此，擁有更大質量的虛粒子越是被限制在更小的範圍內。

事實上，實粒子與虛粒子並沒有一條很清楚的界線——物理上的方程式只是描述粒子(兩者都等價的包含在裡面)。虛粒子存在的振幅和不存在的振幅抵消，然而對於實粒子的狀況來說，存在與不存在的振幅在互相之間達成的共振，且不再相消。就量子場論的觀點而言，「實粒子」可以被視為在量子場論的基礎之下可以被偵測到的激發態。就其本身而論，虛粒子也是一種在場的基礎之下的激發態，但不同的是被偵測到的是力而不是粒子。

它們可以被「暫時的」被想成只出現在計算當中，而不是真正的被偵測到的粒子。因此，以數學的術語來說，它們在散射矩陣里根本沒有出現任何的指標，也就是說，它們根本沒有任何可以被觀測到的部分。在這種圖象之下，虛粒子是一種微擾理論的人為產物。

在現代物理中對虛粒子有兩種主要的見解與想法。它們出現在費曼圖的中間項，也就是說是微擾計算里的一個項。或是它們也出現來當作被加總或積分整個半非微擾的效應的無限多組態。就後面這種說法，有時候會被認為是虛粒子造成這種效應，亦或是因為虛粒子的存在而造成這種效應。

已經有許多可觀測到的物理現象是因為虛粒子的交互作用而產生的。對於那些當它們是自由粒子且是「實」粒子的狀況下還顯示出有靜止質量的玻色子，虛的交互作用由交換粒子而產生的相對短距離的力的交互作用來描繪。弱作用力和強作用力就是短距交互作用的兩個例子，而且它們與場玻色子有關。

而對於重力與電磁力，沒有靜止質量的玻色子允許用虛粒子來扮演長距力之間的角色。然而，在光子的例子當中，能量以及資訊的傳送是藉由相對短距的虛粒子。

以下是一些可能被視為由虛粒子產生的場交互作用:

1、在電荷之間的庫倫力（靜態的電力）。它是由交換虛光子而來的。在對稱的三維空間里這樣的交換虛光子造成與距離平方的倒數成正比的電力。因為這種光子沒有質量，所以電場的有效距離是無限的。

2、在磁偶極矩之間的磁場。它也是由交換虛光子而來，在對稱的三維的空間這樣的交換虛光子造成與距離平方的倒數成正比的磁力。因為這種光子也沒有質量，所以磁場的有效距離也是無限的。

根據量子力學的不確定性原理，宇宙中的能量於短暫時間內在固定的總數值左右起伏，從這種能量起伏產生的粒子就是虛粒子。當能量恢復平衡時，虛粒子湮滅。

虛粒子用來描述承載力的粒子，包括引力子（承載引力）、膠子（承載強力）、光子（承載電磁力）、和玻色子（承載弱力）。

我們舉例來說，我在《變化》中，就強調過真空不空。我個人的認為是真空不空，真空具有能量。我甚至相信這句話應該被作為定律被科學家所熟知。

支持真空的不空的理論有很多而且是相聯繫的。更體現了它的正確性。

支持理論1. 絕對零度不可達到，真空也不例外，所以真空是有能量的！！

支持理論2。海森堡不確定性原理表明，我們不可能同時精確地測出一對共軛量，所以，可以「空」，不能「無」。因此，在真空中，粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對的形式產生，而又互相湮滅，在這個過程中，總的能量保持不變。

支持理論3、一個瑞典物理學家小組成功地實現了真正意義上的「無中生有」——首次從真空中創造出閃光。

該小組讓一個特殊組件在磁場中以1/20倍光速移動，並通過改變磁場的方嚮導致該組件出現「震動」。這樣做的結果是從真空中產生了一束粒子流——這完全符合理論預計。這一不尋常的發現被認為是物理學的一項重大進展，並引起了全世界物理學界的關注。

真空為什麼不空，四大原因讓你相信真空不空！

這一現象基於一個詭異的理論，量子力學。這一理論提出：真空並不存在，所謂的真空中其實充斥著粒子，只是這些粒子太微小，並且不斷的產生和消失，因此難以探測。

支持理論4、卡西米爾效應。即在真空中兩片平行的平坦金屬板之間的吸引壓力。這種壓力是由平板之間空間中的虛粒子的數目比正常數目小造成的。

所以虛粒子雖然觀測不到，但其存在還是有意義。再通俗給大家說一下。虛粒子是人為假設的粒子，目前的手段是觀測不到的，如果觀測到了，那就不是虛粒子了。

以「希格斯玻色子」來說，2013年之前，處於假說階段，不一定存在。就可以說它是一種「虛粒子」，是為賦予其他質量而需要出現的一個粒子。2013年之後，證實其存在，自然就是實粒子。

再比如，引力子現在就是沒有被證實的。可以說是一種「虛粒子」，就是傳遞引力的粒子，就好像是若隱若現於宇宙之中的，我們觀測不到。它快閃快現，但宇宙整體其實是「平衡」的。

還有比如有「虛光子」這樣詞。其實也是虛粒子了。只是說有的假說粒子，在一開始就以其他名字存在的了。而一些現象，比如卡西米爾效應，為了解釋這樣的現象，我們說是虛粒子在其作用。當然也可以用「卡西米爾粒子」來說。假設過幾年，人類研究卡西米爾效應時觀察到了起作用的粒子，那麼就會排除這種虛粒子微擾。將發現的這種粒子可以正式命名為「卡西米爾粒子。」

還要強調一點，虛粒子和反粒子是兩個概念。反粒子都是實粒子。能夠觀察到的。

還有一個粒子，比如說暗物質，暗能量的概念，就和虛粒子的概念有接近。暗物質，暗能量的概念也是為了解釋宇宙膨脹而假設出的物質。為了來迎合理論，不然現階段觀察不符合理論。

現實的宇宙法則，可能會令你大吃一驚。虛的不一定是虛的，有一天會變成實的，實的有一天會變成虛的。但虛和實都是一種客觀存在。道家的宇宙哲學就是這樣的。

摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

量子泡沫其實就是量子的不確定性，大致可以分為兩類：虛粒子與時空泡沫。

量子力學允許一個粒子短暫地從真空借到能量，然後產生出來，接著把能量還給真空，最後這個粒子消失。這種完全靠借款過日子的粒子就是虛粒子，就好像我們日常生活中的那些最窮最沒錢但還要抖瑟的人。虛粒子存在的時間與它借到的能量成反比。基本上壽命都很短——所以我們說虛粒子是量子泡沫。這完全靠借貸過日子，來回幾張信用卡套現的窮光蛋，難道沒有泡沫嗎？當然有！

虛粒子滿足量子力學的基本原理，但不滿足狹義相對論的要求。一個正常的沒有泡沫的粒子，它的能量與動量要滿足一定的局限，那就是他們的平方差要等於粒子的靜止質量，這被稱為on shell，翻譯過來就是「在殼」——意思就是沒有泡沫。而虛粒子是off shell ，是「離殼」的。

另外一種量子泡沫就是時空泡沫，在宇宙大爆炸的瞬間，或者說在普朗克尺度下，可能存在時空泡沫。這就是說局部的時空就好像沸騰的開水一樣翻滾，因此很容易形成小的蟲洞或者黑洞。這種拓撲結構的複雜多變，使得量子引力理論到現在還沒有被建立起來。時空泡沫不像虛粒子，虛粒子已經得到了物理學界的公認，而時空泡沫還只是一個合理的猜想。

正因為有泡沫，所以量子的世界看起來就好像是鬼魅叢生。在量子的世界裡，一切都不確定，這是量子泡沫存在的理論基礎。所以，對你的問題的回答是：是的，真的有量子泡沫，雖然我們沒見過。

量子泡沫也叫時空泡沫。大的宇宙我們先不說，我們來說說原子。原子是有原子核和核外電子組成，就拿核電子來說，它的運動軌跡就有量子性，單個電子會從一個位置跳躍到另一位置，在這個過程中它所經過的可能就是由時空泡沫產生的蟲洞。所以說…………