什麼是虛光子？

撰文／高涌泉

　　虛光子這個科學名詞是英文virtual photon的翻譯，經常出現在對於電磁交互作用的討論中，例如科普文章有時用「兩個電子可以藉由交換虛光子而相互施加電磁力」這樣的句子，搭配上如圖一的費曼圖，來解說電子間的電磁交互作用。這種生動的描述固然會讓一般人留下深刻的印象，但是對於學過一點電磁學的高中生來說，卻不令人滿意，因為這個圖像究竟如何跟課本所說的聯繫起來，科普文章經常沒有進一步說明。所以虛光子到底是什麼，不少高中生都很好奇。 

　　要說明虛光子當然得從（實）光子講起。我在上一期「形上集」說過，在中學生都很熟悉的庫侖電場之外，一個加（減）速的電子會產生輻射電磁場，這種電磁場的型態和庫侖場有很大差異：首先，電子產生的庫侖場一定是朝向電子（即是所謂的縱向或軸向向量），但是輻射電磁場有著與縱向相垂直的橫向分量；其次，空間中某處庫侖場之強度和離開電子的距離平方成反比，但是輻射電磁場的強度在離電子很遠之處，卻僅是和距離成反比而已。電子產生的球形振盪輻射場在無窮遠之處，會成為平面波，這就是電磁波，其電場與磁場的振盪方向都垂直於前進方向。平常我們說電磁波有橫向偏振，就是這個意思。 

　　總之，一個隨意運動的電子會產生庫侖場與電磁波兩種類型的電磁場：離電子越近，庫侖場就越重要，但若離電子很遠，則我們只需在意電磁波。事實上，電磁波完全可以不依賴電荷而獨立存在，因為馬克士威發現，若把電荷與電流自電磁學方程式中抽離，電磁波依舊是這些真空電磁學方程式的一種解。所以我們可以這麼說：電子產生電磁輻射之後，它就有了獨立的「生命」，離開電子越遠，這種電磁場就越接近完美的電磁波，也就越自由。

【本文轉載自科學人2014年10月號】