真空极化

在量子场论里，尤其是量子电动力学，真空极化是一个在背景电磁场中产生电子-正子虚粒子对的过程。产生的虚粒子对会改变原本电荷和电流的分布。有时这被视作规范玻色子（光子）的自身能量（self energy）。

略图显示电子-正子虚偶的随机性地出现于一个电子（左下方）的附近。

1997年，日本TRISTAN粒子加速器观测到真空极化的现象。

理论解释

根据量子场论，一个包含作用粒子的基态（或真空态）不单纯只是个空无一物的空间， 它包含了存活时间很短虚正反粒子对，从真空中产生并迅即彼此湮灭以归还能量。

部分正反粒子对带有电荷，例如正负电子对。 这类的粒子对会形成电偶极矩。在电磁场的作用下粒子对会产生位移，并且反过来影响电磁场。 （部分的遮蔽效应或介电质效应） 因此场的作用会比原先预期的来得小。 而这个虚粒子对转向的过程就是真空极化。

正反费米子对的一圈图对于真空极化的贡献表示成下图：

真空极化张量

真空极化在数学上量化成真空极化张量 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 来描述介电质效应，其中 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 是光子四动量 $p$ 的函数。 因此，真空极化与传递的动量有关。 换句话说，电容率的大小与尺度是相关的。 以电磁作用而言，我们可将精细结构常数表示成一个动量相关的有效值。 在第一阶修正，我们得到：

$\alpha _{\text{eff}}(p^{2})={\frac {\alpha }{1-[\Pi _{2}(p^{2})-\Pi _{2}(0)]}}$

式子中 $\Pi _{\mu \nu }(p)=(p^{2}g_{\mu \nu }-p_{\mu }\nu )\Pi (p^{2})$ ， 下标$2$表示一阶-$e^{2}$修正。 由于沃德等式(Ward identity)，张量 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 的组成被固定。

参阅

• 重整化

延伸阅读

• For a derivation of the vacuum polarization in QED, see section 7.5 of M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley, 1995.