不存在的粒子可能是理解现实的关键

一种被称为虚拟粒子的巧妙数学工具可以解开亚原子粒子奇怪而神秘的内部运作原理。如果没有这个工具，原子内这些粒子会发生什么将无法解释。

使用虚拟粒子的计算以惊人的准确性预测了亚原子粒子的奇怪行为，以至于一些科学家认为“它们一定是真实存在的”。

虚拟粒子不是真实的——它们的名字就这么说——但如果你想了解真实粒子如何相互作用，它们是不可避免的。它们是描述自然界中发现的三种力的重要工具：电磁和强者和弱核力量。

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真实粒子是可以通过适当的仪器“看到”或检测到的能量块;这个特征使它们变得可观察或真实。

另一方面，虚拟粒子是一种复杂的数学工具，看不见。物理学家理查德·费曼发明了它们来描述真实粒子之间的相互作用。

但许多物理学家并不相信这种一刀切的区别。尽管研究人员无法检测到这些虚拟粒子，但作为计算工具，它们预测许多细微的影响超灵敏的实验已经证实了令人难以置信的小数点后 12 位。

这种精度就像测量北极和南极之间的距离，比一根头发的宽度还要好。

测量和计算之间的这种一致性水平使虚拟粒子成为科学中经过最彻底审查的想法。它迫使一些物理学家问：数学工具能成为现实吗？

簿记工具

虚拟粒子是物理学家用来计算力在微观亚原子世界中如何起作用的工具。这些力是真实的，因为它们是可以测量的。

但物理学家没有尝试直接计算力，而是使用簿记系统，其中短寿命的虚拟粒子携带力。

虚拟粒子不仅使计算更易于管理，还解决了物理学中一个长期存在的问题：力如何在空白空间中作用？

虚拟粒子利用亚原子世界的自然模糊，如果这些短暂的粒子存活得足够短，它们也可以短暂地存在从空旷的空间中借用他们的能量.能量平衡的朦胧隐藏了这种短暂的不平衡，这允许虚拟粒子影响现实世界。

该工具的一大优点是描述粒子之间力的数学运算可以可视化为图表。它们往往看起来像用虚拟粒子玩粒子乒乓球的简笔画卡通。

图表 – 配音费曼图– 提供了一个出色的直观框架，但它们也赋予虚拟粒子一种具有欺骗性的现实光环。

令人惊讶的是，这种基于虚拟粒子的计算方法产生了所有科学中一些最精确的预测。

现实检验

所有物质都是由称为原子的基本组成部分组成的。反过来，原子是由小的带正电的粒子，称为质子在它们的核心发现，周围是更小的带负电的粒子，称为电子.

作为教授密西西比州立大学物理和天文学，我进行的实验通常依赖于这样一种想法，即我们仪器中看到的电子和质子通过交换虚拟粒子相互作用。

我和我的同事最近测量了质子大小非常精确地说，通过用电子束轰击氢原子。该测量假设电子可以通过交换虚拟光子来“感觉到”氢原子中心的质子：电磁能粒子.

物理学家使用虚拟粒子来计算两个电子如何相互排斥，精度极高。所涉及的力表示为两个电子交易虚拟光子的累积效应。

当两块金属板在真空中非常靠近放置时，它们会相互吸引：这被称为卡西米尔效应.物理学家可以使用虚拟粒子数学准确计算将板拉在一起的力。

无论虚拟粒子是否真的存在，数学都会准确预测研究人员在现实世界中观察到的情况。

使用虚拟粒子工具包做出的另一个神秘预测是所谓的霍金辐射.当虚拟粒子对在黑洞边缘突然出现时，有时黑洞的重力抓住了一方，而另一方则逃脱了。

这种裂缝导致黑洞缓慢蒸发。虽然霍金辐射目前还没有直接观测到，研究人员最近有间接观察到.

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让我们回到这个问题：数学工具能成为现实吗？如果你可以通过想象力是由虚拟粒子携带来完美预测力的一切，那么这些粒子有资格成为真实的吗？他们的虚构地位重要吗？

物理学家在这些问题上仍然存在分歧。有些人更喜欢“闭嘴计算”——这是费曼的著名俏皮话之一。目前，虚拟粒子是描述粒子行为方式的最佳方式。但研究人员正在开发替代方法根本不需要它们。

如果成功，这些方法可以使虚拟粒子永远消失。无论成功与否，替代方案的存在这一事实表明虚拟粒子可能是有用的虚构而不是物理真相。它也符合之前科学革命的模式——我想到了以太的例子。

物理学家发明了以太作为光波传播的介质。实验与使用此工具的计算非常吻合，但实际上无法检测到它。最终，爱因斯坦的相对论表明这是不必要的。

虚拟粒子是现代物理学的一个惊人悖论。它们不应该存在，但它们对于计算从磁铁强度到黑洞行为的所有内容都是不可或缺的。

它们代表了一个深刻的困境：有时，对现实的最佳洞察来自精心构建的幻觉。最后，围绕虚拟粒子的混淆可能只是理解基本力的代价。

迪庞卡·杜塔，核物理学教授，密西西比州立大学

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