定义
虚粒子是量子场论在微扰计算中引入的一类短暂中间状态，用来描述实粒子之间发生相互作用的过程[1]。它出现在费曼图的内部线上，而带有自由端点的外线代表进入和离开反应区的实粒子[2]。
与实粒子不同，虚粒子不满足相对论的能量—动量关系 $E^2-p^2c^2=m^2c^4$，物理上称为离壳[4]。它因此可以带有与同名实粒子不同的质量，但在费曼图的每个顶点上能量与动量仍然守恒[1]。虚粒子的特征越接近普通粒子，其存在时间就越长[1]。
按照量子力学的不确定性原理，真空中的能量会在极短时间内发生涨落，由此产生并迅速湮灭的正反粒子对常被形象地称为虚粒子[3]。不过虚粒子并不是可以直接探测的实体，它本质上是量子场在相互作用过程中的短暂扰动或激发。
原理
在量子场论中，场是比粒子更基本的对象，电子、光子等粒子被视为相应量子场的激发态，而真空则是所有场处于最低能量状态的量子态[5]。微扰论把相互作用过程展开成一系列项，每一项对应一个费曼图：外线对应能被制备和探测的实粒子，内线对应只在计算中出现的虚粒子[6]。
每张费曼图可以翻译成含有顶点的贡献与传播子的多重积分，传播子所依赖的四维动量要对全空间积分，因而没有在壳约束[6]。把某张图的内线解释为某种粒子在时空中产生、传播、再被吸收，只是一种形象化的读法；真正具有预言意义的是所有图之和[2]。
以两个电子之间的电磁作用为例，最低阶贡献可以读作一个电子发出一个虚光子、另一个电子吸收它，虚光子在此充当相互作用的载子[7]。吸引还是排斥并不出现在单张图中，而是来自不同数量虚光子贡献之间的干涉[8]。对自能、真空极化等效应，也可以画出含虚粒子圈的图来描述[7]。
发展历程
虚粒子概念的前身可以追溯到 1927 年狄拉克的辐射理论。他对辐射场做微扰处理时，二阶项被理解为系统经由某个中间态从初态过渡到末态[9]。1929 年拉曼在讨论以其名字命名的效应时，把这种为计算而假设的跃迁称为纯属虚的、实际不会发生的过程[9]。
20 世纪 30 年代中期，海森堡的学生欧拉与科克尔等人用狄拉克的方案计算电子—电子散射和光—光散射，虚拟跃迁、虚拟中间态的说法随之在量子电动力学中通行起来[9]。1935 年前后，汤川秀树提出核力的介子交换理论，他所设想的介子在核子之间被发射和吸收，被视为最早被直接假定为虚的粒子[9]。
1948 年前后，费曼提出以图形方式系统表示散射过程的计算方法，外线表示初末态，内线则与虚粒子对应，并可通过一套规则转成散射振幅的表达式[9]。同一时期发展起来的重整化方法处理了自能和真空极化图带来的发散，把虚粒子的贡献吸收进电子质量和电荷的定义中[7]。
进入 20 世纪 70 年代后，围绕虚粒子是否具有物理实在性的争论在科学哲学领域展开，1970 年邦格给出了较早的、有论证的反驳[9]。近年仍有工作主张虚粒子应被理解为相互作用的传播者，是描述亚原子散射所必需的一种近似[2]。
应用
在量子电动力学中，虚光子被用来描述带电粒子之间的电磁相互作用，这类计算的结果与实验符合到很高的精度[4]。弱相互作用可由虚的 W、Z 玻色子传递，强相互作用可由虚胶子传递[6]。
虚粒子图像还被用来解释若干可测量的真空效应。兰姆位移指氢原子中按狄拉克方程本应简并的能级出现了微小分裂，量子电动力学的解释涉及电子自能、真空极化与电磁场零点涨落[10]。1948 年卡西米尔预言，两块不带电的导体板在真空中靠近时会出现吸引力，其解释是板间与板外允许的场模式不同造成零点能密度差[10]。
在同一图像下，电子磁矩会偏离简单的玻尔磁子值，这一反常磁矩的量子修正与理论预言高度吻合[11]。在宇宙学中，膨胀时空里的量子涨落可以转化为真实粒子，这一机制被称为宇宙学粒子产生[3]。动态卡西米尔效应则考虑快速变化的边界条件，理论上可把真空涨落中的虚光子转化为真实光子[10]。
局限
虚粒子本身无法被直接观测，任何被单独探测到的粒子都不可能仍是虚粒子，因此它只能通过间接效应被检验。对它的能量、动量乃至位置，形式化的量子场论并不能赋予确定取值或概率，因为它不对应希尔伯特空间中的态[6]。
把单张费曼图读成粒子在时空中产生与湮灭的具体过程，会遇到叠加论证的困难：具有不同虚粒子数目的图彼此干涉，只有振幅平方才与观测相关，个别图没有独立的意义[7]。虚粒子也并非量子场论的必需成分，格点场论等做法就完全不使用这一概念[1]。
含虚粒子圈的积分在紫外区域往往发散，必须借助重整化等手段处理，才能得到与实验比较的有限结果[12]。此外，在引力方面目前还没有被普遍接受的量子引力理论，因而也没有被普遍采用的引力虚粒子描述[4]。
参见
参考资料
- epfl.ch 上的网页 [引用日期2026-10-14]
- s11229-024-04881-9 [引用日期2026-10-14]
- 宇宙起源于宇宙大爆炸，但为什么“真空”中能凭空冒出各种粒子？ [引用日期2026-10-14]
- Virtuelles Teilchen – Wikipedia [引用日期2026-10-14]
- 量子真空涨落201512（16） [引用日期2026-10-14]
- Interpreting Feynman diagrams [引用日期2026-10-14]
- springer.com 上的网页 [引用日期2026-10-14]
- Some Frequently Asked Questions About Virtual Particles [引用日期2026-10-14]
- bewi [引用日期2026-10-14]
- 真空能诞生正负粒子对，有实验支持吗？ [引用日期2026-10-14]
- 零点涨落_百度百科 [引用日期2026-10-14]
- 费米子圈与QED中的真空极化 | Bohrium [引用日期2026-10-14]