粒子、反粒子和虚粒子

粒子就是正粒子，是我们身边最熟悉的一切

粒子还可称为“正粒子”，也就是我们接触最多的，是构成我们身边万事万物的基本微粒。而与正粒子质量相同，电性、磁矩相反的粒子称“反粒子”。从电子、夸克、交换能量的玻色子、中微子等基本粒子，再到夸克组成的复合粒子质子、中子、大多数介子，最后到原子，几乎任何粒子都有反粒子。只有光子和中性π0介子没有反粒子，其反粒子就是它们自己。

比如带负电荷的电子是正粒子，就是我们常说的电子，记作e-（-表示带负电荷）；而带正电荷的电子就是反电子，记作e+（+表示带正电荷），反电子与电子的电荷、自旋方向等基本参数相反，符合宇称守恒就是镜像对称的意思，反粒子近乎于粒子在镜子中的投影。

原子和反原子就像镜子中的双胞胎

正粒子即粒子，构成了我们身边的一切可见物质，这个概念自然不必过多解释；反粒子则构成了反物质，我们不能直接观察到反物质。正粒子和反粒子统称为实粒子，与之对应的就是后面将讲到的虚粒子。

反物质或反粒子一般只能通过实验获得，大致有两种方法，一是用粒子加速器高能粒子轰击，比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，可以在高能撞击中产生反质子和反氢等反物质粒子。二是通过宇宙射线获取反物质，宇宙射线是从宇宙中高速飞来的粒子，它们可以与地球大气层中的原子相互作用，产生反物质粒子。

中间蓝色的就是地球，范艾伦辐射带像蝴蝶，其中有反物质

我们使用卫星来探测宇宙射线，并寻找反物质粒子的存在，距离我们较近的反物质密集区域是范艾伦辐射带，以下内容来自百度百科：范艾伦辐射带是环绕地球的高能粒子辐射带，由美国科学家詹姆斯·范艾伦于1958年发现的辐射带分为两层，内层距地表约7000公里，外层约为13000公里。范艾伦带粒子的主要来源是被地球磁场俘获之太阳风粒子，这些带电粒子在范艾伦带两转折点间来回。科学家通过探测器探测到反质子聚集区，发现该区域存在反质子带。这些反质子被困在磁场带中，直到它们遭遇正常粒子并发生湮灭反应而消失。当太阳发生磁暴时，地球磁力线受扰动变形，高能带电粒子大量泄出，并随磁力线于地球的极区进入大气层，激发空气分子产生美丽的极光。

通过上面的内容可以知道，反粒子都是确实存在的 “实粒子”。当相应的正反粒子接触时，将湮灭成两个光子。反过来，两个光子相撞时也会生成一对正反粒子。举几个例子，比如：

1- 质子和中子内的强核力作用时，正、反夸克相遇时可以湮灭并生成光子。

2- 由正反夸克组成的正反介子，π+和π-相遇时可以湮灭并生成光子。

3- 传递弱核作用的正反玻色子，W+和W-相遇时可以湮灭并生成光子。

4- 正反电子、质子、中子相遇时可以湮灭并生成光子和中微子或反光微子。

5- 上面1~4项是可逆的，即在外部能量作用下，光子和中微子这些轻子可以又转化为正—反粒子对。

看到这里，可能有人会说，量子的世界真是“混乱”，说的有道理，不过混乱中还是存在“秩序”的，秩序就是反粒子不能长时间稳定的存在。在没有高能量的规范场内，这些反粒子存在的时间非常短暂，基本上以纳秒(一纳秒为十亿分之一秒)来衡量。因为我们生活的世界充满了正粒子，反粒子想不与它们相遇都是很困难的事，虽然短暂，但是它们确实在我们身边存在过。而我们开始提到的地球磁场中范艾伦辐射带，在大气层上方离我们较远一些，那里正粒子数量相对较少，所以反粒子和反物质就能稳定的存在。

宇宙中的虚粒子

相对确实存在的粒子和反粒子（二者统称为实粒子），虚粒子的定义存在争议，目前主流观点如下，以下对虚粒子的解释摘自百度百科和搜狗百科：虚粒子指在量子力学中确实存在并具有可测量效应的粒子，被认为一种不能直接检测到的粒子。虚粒子可以用来描述承载力的粒子，包括引力子、胶子、虚光子和玻色子。虚粒子是虚构粒子、假想粒子，是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念，指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。

按照现有多数科学观点，W/Z玻色子已经通过实验被发现，就应该算作实粒子，可从虚粒子的行列中剔除此项，由此可见虚粒子和实粒子在概念上没有严格的界限之分，最大的区别在于我们是否能够观察到它。而虚光子、引力子和胶子目前都是理论上的存在，从未通过实验观测到，所以只好继续充当虚粒子的角色。

爱因斯坦质能方程和海森堡测不准不等式

虚粒子不必具有和对应实粒子相等的质量，这是因为它存在时间非常短暂，根据海森堡不确定性原理和相对论质能方程，它在能量守恒的情况下质量是可以变化的。虚粒子存在时间越久，它表现出的特征就越接近实粒子，因为我们就有可能观察到它。

这里将重点讨论虚光子，在量子电动力学中，电磁力的传递是通过交换虚光子进行的，这种交换可以有很多种不同的方式。比如两个电子之间最简单的传递方式是：第一个电子放出虚光子被第二个吸收；第二个电子收到虚光子后也放出一个虚光子被第一个电子吸收，如此继续下去。这种方式类似于踢足球，两个电子就是球员，虚光子就是那个“可怜”的足球，被电子踢来踢去，每次球员踢球时都要耗费能量将其传递给足球，足球获得了速度就携带着能量；而接球的球员又被足球能量所冲击，又需要消耗能量去停球；因此完全不必担心这种方式的传球会成为“永动机”，将球员和足球的能量一直增加下去。

稍微复杂一点的两个电子交换虚光子过程是：一个电子发射出一个虚光子后，那虚光子又可以变成一对电子和反电子，这个正反电子对可以随后一起湮灭为虚光子，也可以由其中的那个反电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置；更复杂的，产生出来的正反电子对还可以进一步发射虚光子，虚光子可以在变成正反电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用---产生电磁场和电磁力。

上述过程听起来像绕口令直接让人蒙圈，不如这样，把两个电子想象成公司和家，你每天拿着一个手电筒离开家去公司上去班，但是手电筒接触不太好时亮时不亮，手电筒亮的情况下代表生成了虚光子，不亮则代表生成了正反电子。如果你家离公司只有100米，运气好手电筒一直亮着一直到单位；如果家离公司1公里远，手电筒会亮一下灭一下，这个过程有1万次，就是虚光子和正反电子来回转化；如果家离公式10公里远，手电筒时亮时灭循环10万次。不论以上哪种情况，因为你上班的时间是早上八点，太阳光较强而电筒的光很弱，而且电筒亮和灭的频率切换较快，所以你根本感觉不到手电筒亮没亮。同样的道理，虚光子运动的速度就是光速，它和正反电子的转换速度也应为光速；而且根据量子物理的测不准原理，即动量越大位置越不精确，所以我们用最先进的仪器一直也检测不到虚光子。

量子电动力学费曼图演示虚光子传递能量的过程

上述电荷的作用过程可以简单的表达为：

第一个电子→2γ→(e-)+(e+)→2γ→(e-)+(e+)……→2γ→第二个电子

其中γ为虚光子，e-为电子（即正电子），e+为反电子。那么根据上面描述得出以下推论：

1-量子电动力学中，虚光子和正反电子对都是电磁相互作用的中间产物，虚光子是不能观察到的假想粒子，就是为了平衡方程的数学常数项，像一个筹码一样被来回交换，但是这个筹码最终会消失并以能量的形式赋予实粒子。换句话说，在“电子-反电子”碰撞中，产生的光子是虚光子，必然会在短时间内“归还”能量，再次分裂成“电子-反电子”对。上述过程是根据相对论质能转换公式推导出来的，并不是我们实际观察到的现象。

2-而在量子色动力学中，胶子是传递强相互作用的粒子，具体过程就更复杂了，略过不谈，直接上结论。由于夸克之间色禁闭的原因，实验室中一直无法观察到胶子，因此胶子一直被认为是虚粒子。

3-在量子电弱理论中，W+、W-、Z玻色子是传递弱相互作用的粒子，一度也被认为是虚粒子。因为上述玻色子已经全部通过实验观察到了，因此W+、W-、Z玻色子已经升格为实粒子了。

根据以上3点，可近似的将虚粒子理解为数学中的虚数i，平方运算时i^2=1成为实数，说明虚粒子和实粒子是可以转换的。那么虚粒子准确定义是：各类规范场中传递能量的且暂时无法观察到的中间玻色子，一旦被证实存在它就可能是实粒子。

黑洞

但是在茫茫的宇宙空间内，这就是另外一回事啦。比较新的理论认为，虚粒子也是分为正虚粒子和反虚粒子，它们统称为虚粒子对。以下是霍金黑洞辐射理论：根据量子理论，空间中并不是完全空的，而是有一定的量子起伏，这样就会有一对对的正反粒子自动产生。但绝大多数情况下这对粒子刚一产生，就又相碰湮灭了，它们无法被仪器探测到，好像从未存在过一样，这种粒子便称为“虚粒子”。但在特殊环境下，如黑洞周围，在视界外面，由于引力如此之大，有些正反虚粒子对产生后，其中一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子逃了出来，由于没有了和它湮灭的对象，这个虚粒子就变成了实粒子 。如果正粒子吸入黑洞，出来的就是实反粒子；如果反粒子吸入黑洞，出来的就是实正粒子。

总结，粒子、反粒子、虚粒子之间的关系很像下面这张八卦图，白色表示粒子（即正粒子），黑色表示反粒子，黑白在一起被统称为实粒子。八卦图是用墨汁在纸上画的，正面颜色比较浓代表实粒子的质量大一些，背面颜色比较淡一点代表虚粒子的质量小一些。

八卦图中白色是实粒子，黑色是反粒子，将图翻一面就是虚粒子

可以看到，黑白图案是互为对称的，表示正反粒子的电荷、旋向是对称的，质量也相同；图案为左白右黑不能互换，但是把白朝右拉同时黑朝左拉，黑白碰撞（寓意为正反粒子相遇）后会湮灭成空气（寓意为实光子)，分开后又称为黑白分明的正反粒子。把八卦图沿着水平方向翻一面就是背面了，背面就代表虚粒子，此时左黑右白。如果你将图案旋转180°又成了左白右黑，和刚刚看到的正面图案又一模一样了，意味着虚粒子变成了实粒子；同时背面的黑白颜色都比正面要淡一些，意味着虚粒子的质量比实粒子要小。

宇宙学家预测宇宙中存在暗物质和暗能量，认为宇宙由大约三分之二的暗能量和三分之一暗物质组成，它们导致过去数十亿年中宇宙一直在加速膨胀。因为我们一直观察不到暗物质和暗能量，所以暗物质是由什么组成的一直众说纷纭，比较严谨的论文和搜索引擎将其谨慎的称为“暗物质粒子”；而比较大胆的理论比如超弦理论，认为是十维空间中的超弦构成了暗物质；更加激进的理论认为是中微子—反中微子构成了暗能量，该理论甚至认为中微子—反中微子对是四大基本作用力的全部媒介子。

暗物质是什么样？至少目前没人真正知道

但是无论上述哪种理论，共同点就是都认为真空并不“空”。根据海森堡不确定性原理，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以星际之间所谓的“真空”中，不停的有能量以正—反粒子对、虚粒子—虚反粒子对的形式产生，然后又迅速的互相湮灭变成其它粒子和能量，这个过程中很像海水潮起潮落一样，因此我们叫它量子涨落。不管各类粒子如何演变，总的能量一定是不变的。而这些正—反粒子对和虚粒子—虚反粒子对，以及驱动它们来回演变的能量，也许就是我们苦苦寻找的暗物质和暗能量。

进一步推测，暗物质向暗能量“借”能量后演变成其它粒子，然后又将能量迅速“归还”给暗能量并回归到初始粒子状态；或者暗物质释放能量，实施上述完全相反的过程；但是整个宇宙的总能量是不变的，这正是物理学的基础和哲学思想。尽管我们并不知道暗物质和暗能量的原理，甚至只能用“暗”字来描述而无法为它们准确的取名，但是可以相信它们一定是真实存在的。

春游时拍的，科学探索也要像这样，百花齐放