期刊導航
不存在的粒子可能是理解現實的關鍵
一種被稱為虛擬粒子的巧妙數學工具可以解開亞原子粒子奇怪而神秘的內部運作原理。如果沒有這個工具，原子內這些粒子會發生什么將無法解釋。
使用虛擬粒子的計算以驚人的準確性預測了亞原子粒子的奇怪行為，以至于一些科學家認為“它們一定是真實存在的”。
虛擬粒子不是真實的——它們的名字就這么說——但如果你想了解真實粒子如何相互作用，它們是不可避免的。它們是描述自然界中發現的三種力的重要工具：電磁和強者和弱核力量。
真實粒子是可以通過適當的儀器“看到”或檢測到的能量塊;這個特征使它們變得可觀察或真實。
另一方面，虛擬粒子是一種復雜的數學工具，看不見。物理學家理查德·費曼發明了它們來描述真實粒子之間的相互作用。
但許多物理學家并不相信這種一刀切的區別。盡管研究人員無法檢測到這些虛擬粒子，但作為計算工具，它們預測許多細微的影響超靈敏的實驗已經證實了令人難以置信的小數點后 12 位。
這種精度就像測量北極和南極之間的距離，比一根頭發的寬度還要好。
測量和計算之間的這種一致性水平使虛擬粒子成為科學中經過最徹底審查的想法。它迫使一些物理學家問：數學工具能成為現實嗎？
簿記工具
虛擬粒子是物理學家用來計算力在微觀亞原子世界中如何起作用的工具。這些力是真實的，因為它們是可以測量的。
但物理學家沒有嘗試直接計算力，而是使用簿記系統，其中短壽命的虛擬粒子攜帶力。
虛擬粒子不僅使計算更易于管理，還解決了物理學中一個長期存在的問題：力如何在空白空間中作用？
虛擬粒子利用亞原子世界的自然模糊，如果這些短暫的粒子存活得足夠短，它們也可以短暫地存在從空曠的空間中借用他們的能量.能量平衡的朦朧隱藏了這種短暫的不平衡，這允許虛擬粒子影響現實世界。
該工具的一大優點是描述粒子之間力的數學運算可以可視化為圖表。它們往往看起來像用虛擬粒子玩粒子乒乓球的簡筆畫卡通。
圖表 – 配音費曼圖– 提供了一個出色的直觀框架，但它們也賦予虛擬粒子一種具有欺騙性的現實光環。
令人驚訝的是，這種基于虛擬粒子的計算方法產生了所有科學中一些最精確的預測。
現實檢驗
所有物質都是由稱為原子的基本組成部分組成的。反過來，原子是由小的帶正電的粒子，稱為質子在它們的核心發現，周圍是更小的帶負電的粒子，稱為電子.
作為教授密西西比州立大學物理和天文學，我進行的實驗通常依賴于這樣一種想法，即我們儀器中看到的電子和質子通過交換虛擬粒子相互作用。
我和我的同事最近測量了質子大小非常精確地說，通過用電子束轟擊氫原子。該測量假設電子可以通過交換虛擬光子來“感覺到”氫原子中心的質子：電磁能粒子.
物理學家使用虛擬粒子來計算兩個電子如何相互排斥，精度極高。所涉及的力表示為兩個電子交易虛擬光子的累積效應。
當兩塊金屬板在真空中非常靠近放置時，它們會相互吸引：這被稱為卡西米爾效應.物理學家可以使用虛擬粒子數學準確計算將板拉在一起的力。
無論虛擬粒子是否真的存在，數學都會準確預測研究人員在現實世界中觀察到的情況。
使用虛擬粒子工具包做出的另一個神秘預測是所謂的霍金輻射.當虛擬粒子對在黑洞邊緣突然出現時，有時黑洞的重力抓住了一方，而另一方則逃脫了。
這種裂縫導致黑洞緩慢蒸發。雖然霍金輻射目前還沒有直接觀測到，研究人員最近有間接觀察到.
有用的小說
讓我們回到這個問題：數學工具能成為現實嗎？如果你可以通過想象力是由虛擬粒子攜帶來完美預測力的一切，那么這些粒子有資格成為真實的嗎？他們的虛構地位重要嗎？
物理學家在這些問題上仍然存在分歧。有些人更喜歡“閉嘴計算”——這是費曼的著名俏皮話之一。目前，虛擬粒子是描述粒子行為方式的最佳方式。但研究人員正在開發替代方法根本不需要它們。
如果成功，這些方法可以使虛擬粒子永遠消失。無論成功與否，替代方案的存在這一事實表明虛擬粒子可能是有用的虛構而不是物理真相。它也符合之前科學革命的模式——我想到了以太的例子。
物理學家發明了以太作為光波傳播的介質。實驗與使用此工具的計算非常吻合，但實際上無法檢測到它。最終，愛因斯坦的相對論表明這是不必要的。
虛擬粒子是現代物理學的一個驚人悖論。它們不應該存在，但它們對于計算從磁鐵強度到黑洞行為的所有內容都是不可或缺的。
它們代表了一個深刻的困境：有時，對現實的最佳洞察來自精心構建的幻覺。最后，圍繞虛擬粒子的混淆可能只是理解基本力的代價。
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