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虚粒子:更深层的物理学线索(上)

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最新发布时间: 2017-12-29
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各位朋友大家好,欢迎收听《科学播报》,今天我们讲一个平时可能很少涉及的话题,虚粒子。 

那么,什么是“虚粒子”呢?这个概念听上去很奇幻,它是量子力学中的奇妙特性,已经不止一次地正确预言了很多物理过程。当然,要把虚粒子的概念讲清楚,不但要借助费曼图,而且还不可避免地要用到满是希腊字母和各种符号的奇怪公式。总得来说,所谓虚粒子其实就是为了摆平量子力学中的一些方程式,而假想出来的一些虚构粒子。这些虚构的粒子往往具有负的质量和能量,听上去很不可思议。 

质量和能量怎么可能是负的呢?量子力学中的不确定性原理就允许这种负能量存在。一个虚粒子可以向真空中借能量,从原本什么也没有的虚空中,突然借得能量,然后马上又归还,这个过程要符合不确定性原理,借得的能量越大,则归还的时间就越短,反之则越长,时间和能量的乘积是一个常数。所以,有些书上把真空看成是沸腾的海洋,能量不断地凭空产生又凭空消失。 

虽然,这听上去更像是一个纯数学手段,就好像为了回答什么数字的平方会是负数一样,数学家生生造出了虚数的概念。但是,它却很管用,在过去的几十年中,物理学家们用这个方法发现了很多新东西,例如,正是利用虚粒子的概念,物理学家们首次预言了粲夸克和顶夸克的存在,并且正确估算了它们的质量。 

大型强子对撞机上的LHCb实验组采用间接方式探测新粒子和新物理的策略,其背后的指导原则正是虚粒子概念。由于这些新粒子仅以虚粒子的形式参与我们测量的所有衰变,我们能探测到的粒子的质量就不受限于加速器所能达到的能量。原则上,如果对合适的衰变过程进行足够精确的测量,我们就可以探测到超出超环面仪器(ATLAS)与紧凑渺子线圈 CMS 极限的大质量粒子的效应,这些粒子质量太大,不可能在大型强子对撞机中直接产生,更别提探测了。 


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