知识百科 量子力学中的虚粒子真的存在吗？
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知识百科 量子力学中的虚粒子真的存在吗？
量子力学中的虚粒子真的存在吗？
解答专家 戈登·凯恩（Gordon Kane）
美国密歇根大学安阿伯分校密歇根理论物理研究中心主任
虚粒子是真实存在的——它们的一些效应是可观测的，为此物理学家们已经设计出了一些测量方法。量子理论预言，每一个粒子都会在某一时间，以任何可能的方式，与其他粒子结合在一起。在量子力学中，短暂地违背能量守恒定律是被允许的，甚至是必要的。因此，一个粒子可以变成一对较重的虚粒子，这对虚粒子很快又会合而为一，变回当初的那个粒子，就像从未出现过虚粒子一样。
尽管虚粒子只是这个世界的匆匆过客，但它们却会与其他较为常见的粒子发生相互作用。科学家通过研究这些相互作用，就能验证与虚粒子有关的种种预言。在一个氢原子内，光子（电磁辐射的基本粒子）将一个带负电的电子和一个带正电的质子结合起来。依据量子理论的预言，每一个光子都会在某一时间变成一个虚电子和一个虚正电子（正电子是电子的反粒子）。氢原子可以有几种不同的状态。当它处于两种不同的状态时，氢原子与虚电子和正电子的相互作用稍有差异，所以量子理论预言氢原子处于这两种状态时，性质会因这些相互作用而略有不同。（如果不存在虚粒子，两种状态下的性质就应该完全相同。）1947年，美国科学家威利斯·兰姆（Willis Lamb）测量到了这种差异，几年后，他因为这个研究获得了诺贝尔物理学奖。
虚粒子的另一个现象与基本粒子夸克有关，特别是6种夸克中质量最大的顶夸克。20世纪90年代初，欧洲原子核研究组织制造了几百万个Z玻色子，并精确地测量了它们的质量。得到的测量结果与粒子物理标准模型预言的质量稍有差异。不过，如果考虑到Z玻色子会在某时变成虚顶夸克，且该顶夸克的质量恰好为某一特定数值的话，这种差异就可以得到解释。几年后，美国伊利诺伊州巴达维亚市的美国国立费米加速器实验室直接测量出了顶夸克的质量，它与欧洲原子核研究组织通过分析得到的预言值完全一致。这是我们判断虚粒子确实存在的另一个引人注目的证据。
◎译者：褚波
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