7、量子世界：奇异粒子、费曼图与对称性的奥秘
量子世界：奇异粒子、费曼图与对称性的奥秘
1. 虚拟粒子的奇异特性
在量子场论的世界里，虚拟粒子是一种极为奇特的存在。在费曼图中，入射和出射粒子被称为“壳上”粒子，因为它们符合爱因斯坦能量、动量和质量方程所描绘的“质量壳”结构。与之相对，费曼图中入射和出射轨迹之间的一切都被视为虚拟的，其可能性无穷无尽。每个能产生相同入射 - 出射粒子组的可能图，都是该相互作用可能性空间中的有效路径。
虚拟粒子具有一些独特的特性：
- 不遵循质量 - 能量 - 动量等价关系，因此被称为“壳外”粒子。
- 不受光速和时间方向的限制，这也导致了前文提到的无限可能性。
虚拟粒子存在于图中的顶点之间，但不会进入或离开，并且按照定义是不可测量的。
2. 费曼图简化QFT - QED计算的强大力量
最简单的电子散射相互作用对应的费曼图集合可能是无穷无尽的。只要最终结果相同，所有可能性都必须被考虑。费曼图的天才之处在于，它是简化量子电动力学（QED）相互作用的强大工具。这是因为相互作用的解释并不重要，我们只关心图的拓扑结构，即顶点之间的连接方式。
QED计算困难的原因如下：
- 每个图代表着无限数量的特定相互作用。例如，每个粒子路径实际上都是无限的，粒子动量也有无限的可能性。
- 所有可能的路径都必须被考虑，包括那些在爱因斯坦相对论中被视为不可能的超光速路径。
- 对于任何虚拟粒子（壳外粒子，既非入射也非出射），任何能量、速度甚至时间方向都必须在数学上进行求解。
以康普顿散射为例，一个电子和一个光子相互碰撞。在图的左侧，我们看到的是壳上的电子和光子，我们可以测量它们的动量或能量等