戈登·凱恩,密歇根大學安娜堡分校密歇根理論物理中心主任,提供了這個答案。
虛擬粒子確實是真實粒子。量子理論預測,每個粒子都會以所有可能的方式,花費一些時間以其他粒子的組合形式存在。這些預測得到了很好的理解和測試。
量子力學允許,甚至要求暫時違反能量守恆定律,因此一個粒子可以變成一對更重的粒子(所謂的虛擬粒子),然後迅速重新結合成原始粒子,彷彿它們從未出現過。如果僅僅發生這些,我們仍然會確信這是一個真實效應,因為它量子力學固有的組成部分,而量子力學已經過極其充分的測試,並且是一個完整且緊密結合的理論——如果它的任何一部分是錯誤的,整個結構都會崩潰。
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但是,當虛擬粒子短暫地成為我們世界的一部分時,它們可以與其他粒子相互作用,這導致了許多對關於虛擬粒子的量子力學預測的測試。第一個測試是在 20 世紀 40 年代後期被理解的。在氫原子中,電子和質子透過光子(電磁場的量子)結合在一起。每個光子都會花費一些時間作為虛擬電子及其反粒子,即虛擬正電子,因為如上所述,量子力學允許這樣做。氫原子有兩個能級,這兩個能級恰好看起來具有相同的能量。但是,當原子處於其中一個能級時,它與虛擬電子和正電子的相互作用與它處於另一個能級時不同,因此它們的能量由於這些相互作用而發生了微小的偏移。威利斯·蘭姆測量了這種偏移,蘭姆位移由此誕生,他最終因此獲得了諾貝爾獎。
夸克是與電子非常相似的粒子,但不同之處在於它們也透過強力相互作用。兩個較輕的夸克,即所謂的“上”夸克和“下”夸克,結合在一起構成質子和中子。“頂”夸克是六種夸克型別中最重的。在 20 世紀 90 年代初期,它被預測存在,但尚未在任何實驗中直接觀察到。在歐洲粒子物理實驗室 CERN 的 LEP 對撞機上,產生了數百萬個 Z 玻色子——介導中性弱相互作用的粒子,並且非常精確地測量了它們的質量。粒子物理學的標準模型預測了 Z 玻色子的質量,但測量值略有不同。如果這樣的頂夸克具有一定的質量,那麼這種微小的差異可以用 Z 玻色子作為虛擬頂夸克所花費的時間來解釋。幾年後,在芝加哥附近的費米國家加速器實驗室的 Tevatron 對撞機上直接測量了頂夸克質量,該值與從虛擬粒子分析中獲得的值一致,這為我們對虛擬粒子的理解提供了戲劇性的驗證。
讀者可能想查詢的另一個非常好的測試是卡西米爾效應,我們在此處沒有空間描述,其中空曠空間中金屬板之間的力因虛擬粒子的存在而發生改變。
因此,虛擬粒子確實是真實的,並且具有物理學家已經設計出方法來測量的可觀察效應。它們的性質和後果是量子力學的公認且廣為人知的推論。