虚粒子能量来源之谜

故事 06-11 来源：天文在线

在普通的牛顿物理学中，几乎一切事物都可以追溯到一些能量和动量守恒的基本进程。400年来，我们一直被灌输着这样的想法，能量和质量既不能被创造也不能被毁灭，而必须通过某种方式保存，比如月球绕地球运行。我们还了解到守恒定律不仅适用于可视的封闭系统还有非可视的系统，从宇宙到原子。在没有人看到的情况下，一棵树倒在森林里，还能遵守能量守恒吗?答案是肯定的。但在20世纪的地球上，咆哮的二十年代来袭，物理学被颠覆了好几年。

在这篇文章中，我不打算回顾量子力学和量子场论，因为你可能已经阅读过大部分关于物理学“第二个支柱理论”的文献。重要的是要记住，这是一套全新范式的应用，与牛顿的物理没有任何关系，除了一些框架形式。我们仍然讨论质量，动量和能量，但是现在我们关注的对象，其表现为波或粒子——取决于你对它们做了什么实验。

能量不再是牛顿物理中的一个数量，而是一个“算符”，作用于粒子的波函数，输出特定状态指数的值。动量也有它自己的算符，这些算符作用于波函数的方式类比于一个特定的音叉在受外力的共振中振动的方式。电子的波函数的每一种振动模式在特定的时刻都有自己的能量，在特定空间也有特定的动量。物理学家说，能量和时间相互“交换”，动量和空间亦是如此。这些波函数本质上是统计性的，因此波函数的一个分量的平方提供电子具有特定能量和动量的可能性。但是电子状态的统计性意味着共轭变量的乘积必须大于或等于普朗克常数。这就给了我们著名的海森堡不确定性原理:

这些关系所涉及的是我们区分电子在每一种特定时刻和特定空间的可能具备的能量和动量的能力。事实上，我们处理的是电子波函数的无穷谐波级数的一部分，所以我们可以用傅里叶变换将每种状态下的频率和波长联系起来。在光和声音中，有着波长=常数/频率的定理，其中常数是光速或声速。那么，在量子力学中，波函数也有着基于共轭变量(E,t)和(p,x)的相似关系。实验中的问题是，因为E和t是共轭的，这意味着，当我们试图测定动量p时，我们对电子在x变量中的位置会逐渐失去准确性。类似地，当我们试图精确测定一个系统有多少能量E时，我们无法准确地知道它在哪个特定时刻存在能量。

这和虚粒子的能量有什么关系呢?

实际上，描述能量和时间之间关系的海森堡不确定性理论，是我们对任何具有波状性质的系统中这两个量的一种表述。简而言之:

某一特定状态的总能量的不确定性随着处于该状态的时间的增加而减小。

通常这样解释，如果我们只观察它很短的时间，我们就能够测量系统的能量。下面是一个实例。

最初，时刻=Ti，系统由两个粒子Pa和Pb组成，它们具有总能量为Ea和Eb。然后Einitial = Ea + Eb。T2时刻的相邻态包含相同的两个粒子及其能量，但包含第三个粒子V，能量为Ev。系统在时刻= Tf时的最终状态只包含最初的两个粒子。根据海德堡测不准原理，两种状态之间的能量变化量为(Ea + Eb + Ev) - (Ea + Eb) = Ev。这两种状态之间的能量变化与第三粒子的状态存在的时间有关，根据Delta-T = h/Ev，这是Ev能量可以持续存在的最小时间。

在量子力学中，一个系统开始于Ti时刻，结束于Tf时刻。这些状态只包含原始粒子，在这种情况下，A和b之间发生的过程可以包含任何其他过程，只要它遵守海森堡不确定原理

Ev = h/(Tf-Ti)

如果初始时刻和最终时刻之间的时间差较长，能量波动Ev会很小，但是如果时间差较短，Ev的值会很大。

那么Ev的能量源自哪里呢?你可以认为它是从粒子V不存在的状态“借来”……这就是所谓的量子真空。这是因为真空状态是除去两个原始粒子后系统剩余的最低能量状态。剩下的n个“真空区”，其中所有其他的能量波动(根据E=mc^2而被解释为虚粒子)在它们所具有能量的时间段内来去自如。

另一种方法是使用度量类比来描述将大量度量值平均时会发生什么。当你从36个测量值取平均值，你会得到一个答案，但这是这些重复测量值的正态分布的中点，它有一个“标准差”，它告诉你测量值围绕平均值的分布。当您将测量值增加到10,000时，您的平均值可能不会有太大的变化，但是现在正态分布的形状已经缩小了，因为标准偏差现在是平方根(10000/36) = 100/6倍。你测量的越多，你测量的参数的波动就越小。用同样的方法，你对一个粒子状态进行36次能量测量，标准偏差是由海森伯格不确定原理决定的，该原理基于进行这些测量所花费的时间。但是当你进行更多的测量时，你增加了Ti和Tf之间的时间，标准偏差减小到一个更小的值。