真空極化

略圖顯示電子-正子虛偶的隨機性地出現於一個電子（左下方）的附近。

在量子場論裡，尤其是量子電動力學，真空極化是一個在背景電磁場中產生電子-正子虛粒子對的過程。產生的虛粒子對會改變原本電荷和電流的分佈。有時這被視作規範玻色子（光子）的自身能量（self energy）。

1997年，日本TRISTAN粒子加速器觀測到真空極化的現象。

理論解釋

根據量子場論，一個包含作用粒子的基態（或真空態）不單純只是個空無一物的空間， 它包含了存活時間很短虛正反粒子對，從真空中產生並迅即彼此湮滅以歸還能量。

部分正反粒子對帶有電荷，例如正負電子對。 這類的粒子對會形成電偶極矩。在電磁場的作用下粒子對會產生位移，並且反過來影響電磁場。 （部分的遮蔽效應或介電質效應） 因此場的作用會比原先預期的來得小。 而這個虛粒子對轉向的過程就是真空極化。

正反費米子對的一圈圖對於真空極化的貢獻表示成下圖：

真空極化張量

真空極化在數學上量化成真空極化張量 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 來描述介電質效應，其中 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 是光子四動量 $p$ 的函數。 因此，真空極化與傳遞的動量有關。 換句話說，電容率的大小與尺度是相關的。 以電磁作用而言，我們可將精細結構常數表示成一個動量相關的有效值。 在第一階修正，我們得到：

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

式子中 $\Pi _{\mu \nu }(p)=(p^{2}g_{\mu \nu }-p_{\mu }\nu )\Pi (p^{2})$ ， 下標$2$表示一階-$e^{2}$修正。 由於沃德等式(Ward identity)，張量 $\Pi _{\mu \nu }(p)$ 的組成被固定。

參閱

• 重整化

延伸閱讀

• 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.