量子场论中的虚粒子是什么？它是如何体现数学和现实之间的区别的

我们经常在物理学和流行科学对量子场理论的解释中听到 "虚粒子（virtual particle） "这个词。但是，在现实中，并不存在虚粒子这种东西。今天我们将探讨为什么需要虚粒子，以及为什么它们不存在。

量子场论（Quantum Field Theory，QFT）

我们的故事从QFT开始，即量子场论。
  • 希格斯场（The Higgs field）——维基百科
上图是希格斯场的图。这样想：在空间和时间的特定点上，我们给它分配一个随机属性。这可以是一个数字，一个矢量，一个张量，任何你想要的。然后我们试图弄清楚随着时间的流逝和其他事物与之相互作用，该属性是如何表现的。这就是简而言之的场论。
在量子场论中，做的第一件事是给空间中的每一个点分配一个场。这个场可以由称为标量的数字来描述，或者甚至像矢量这样更复杂的东西。
在量子场论中，当给场添加一些能量时，场就会发生变化：它在一些特定的值之间振荡。这种振荡类似于一个粒子。
如果你觉得这些太抽象了，没关系，因为我们不需要太多的细节。你需要记住的是，场是存在的，而这些场中的振荡是粒子。

费曼图和相互作用

上图像被称为费曼图，它描述了两个或多个粒子之间的相互作用。例如，上图描述了两个电子是如何相互排斥的。我们都知道，由于电磁力的作用，同类电荷会相互排斥，但实际上它更微妙。当两个电子彼此靠得太近时，它们会交换一个光子：一个光的粒子。
一个略微严谨的说法是（如果你对场不熟悉，可以跳过这一点）：电子场中的两个振荡彼此靠得太近，以至于它们有点重叠了。
这就在另一个场中产生了一个振荡：电磁场的振荡。电磁振荡使其他两个振荡相互远离。
稍微要注意的是，正如你在上图中看到的那样，有许多可能的方式使两个电子相互排斥。我们不会深入研究所有可能的费曼图的具体细节，但也许我在未来会跟进。
现在，我们将补充一些细节。

扰动理论

想象一下，你想解决一个代数问题。你只知道公式：
但这个问题比较难，无法直接套用公式，你会怎么做？你会试着用你知道的公式来解决这个问题，试着通过各种变换以让公式可以被使用。
这是对微扰理论的一个粗略的比喻。有时我们不得不解决一些太难的问题，就像上面看到的相互作用。
两个相互排斥的电子涉及到很多复杂（而且相当混乱）的计算。因此，为了使它更容易，我们先研究一个非常简单的案例（这与实际情况相去甚远；比如我们看到的第一个费曼图）并进行计算。然后，再研究一个稍难的情况（更难，但仍然与现实有很大差距），并对其进行计算。我们把两个近似解的结果加起来，得到另一个好的近似解。
在上面的图中，看起来是在把图相加，但其实不是，我们加的是它们所代表的积分方程。
这些近似值中的每一个都包含了电磁场（产生光子的那个）的不同构型。这些构型对应于场中的不同振荡，当相加时，几乎复制了现实中真正发生的情况。

虚粒子

请记住，近似于现实的不同振荡，只是我们为了使较简单的方程符合问题而进行的创造。这些震荡并不真正存在。这些只是假的振荡，或者只是一种数学上的技巧。
我们称它们为虚粒子，认为这些粒子在 "非常微小的时间段内""出现和消失"，或者说它们 “无实体”。
振荡场对应于粒子，但这些振荡（以及相应的粒子）并不存在。它们只是我们的一个发明，用来简化相当复杂（和真实）的振荡。它们根本不 "存在"，即使是在很短的时间间隔内。

海森堡的不确定性原理

你可能在什么地方听说过或看到过这个：
  • 海森堡的不确定性原理
这就是著名的海森堡不确定性原理：场的能量和时间在任何瞬间都无法得知。
虚粒子被认为存在，是因为对于任意小的时间尺度，我们无法知道能量，场中充满了粒子。虽然我不否认这一原理的有效性，但这不可能是虚粒子的定论。这说明在真空中，一个场的能量有一个小的不确定性，仅此而已。
  • 真空中的能量波动
让我来总结一下：我们不能精确地知道场在小的时间值上有多少能量。这种能量可能在皮秒（万亿分之一秒）与皮秒之间波动，我们没有办法准确测量和预测任何场的能量。
下面是唯一能够而且确实存在的粒子：
  • 基本粒子的标准模型，维基百科
当然，也许我们会发现更多的基本粒子，但就目前而言，无论是理论上还是实验上，这些是唯一能够存在的粒子。

为什么需要虚粒子？

这可能看起来像思考虚粒子是错误的事情，肯定不是。
虚粒子是有用的：它们有助于使数学变得更容易，它们提供了一种直观的方式来想象微扰理论，它们可以被用来做出新的预测和发现新的物理学。
但是，重要的是要知道什么是数学，什么是真实。以霍金辐射为例。
  • 霍金辐射
霍金辐射通常被解释为当一对虚拟粒子形成后，其中一个进入黑洞，另一个逃逸的结果。非常直观和简单的理解吧。
从理论上讲，霍金辐射与虚拟粒子没有关系。它与我们之前谈到的振荡有关，以及它们如何在离黑洞较近和较远的地方以不同的方式出现。仅仅因为虚粒子给了我们一个更直观的理解，并不意味着这就是全部的情况。霍金辐射是其中的一个案例，在这个案例中，人们过于按字面意思来简化事情。
这有什么坏处呢？只要你知道现实和数学之间的区别，并且对大局有一个很好的把握，就没有什么坏处。我将让费曼以更好的方式来说明这一点。
第一个原则是你不能欺骗自己，你是最容易被欺骗的人————理查德·P·费曼
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