Безмассовые частицы

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Безмассовые частицы

16.12.2020

Безмассовые частицы (люксоны) — частицы, масса которых равна нулю. Всегда движутся со скоростью света. Способны изменять свое направление движения, энергию и импульc (например, фотон в гравитационном поле). Не имеют аналога в нерелятивистской механике.

Свойства

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности для энергии E = m c 2 1 − v 2 c 2 {displaystyle E={frac {mc^{2}}{sqrt {1-{frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} и импульса p = m v 1 − v 2 c 2 {displaystyle p={frac {mv}{sqrt {1-{frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} скорость v {displaystyle v} частицы определяется через её импульс p {displaystyle p} , массу m {displaystyle m} и скорость света c {displaystyle c} соотношением v = p c 2 E {displaystyle v={frac {pc^{2}}{E}}} , где E = c p 2 + m 2 c 2 {displaystyle E=c{sqrt {p^{2}+m^{2}c^{2}}}} — энергия частицы. В случае безмассовой частицы m = 0 {displaystyle m=0} , тогда E = c ∣ p ∣ {displaystyle E=cmid pmid } и, из уравнения v = p c 2 E {displaystyle v={frac {pc^{2}}{E}}} получаем ∣ v ∣= c {displaystyle mid vmid =c} . Такая частица не может находиться в состоянии покоя: она может родиться (быть излучена), двигаться со скоростью света, затем уничтожиться (поглотиться).

Любая частица, движущаяся со скоростью света, может быть только безмассовой. Это следует из формулы v = p c 2 E {displaystyle v={frac {pc^{2}}{E}}} . В случае v = c {displaystyle v=c} получаем E = c ∣ p ∣ {displaystyle E=cmid pmid } и, из уравнения E = c p 2 + m 2 c 2 {displaystyle E=c{sqrt {p^{2}+m^{2}c^{2}}}} получаем m = 0 {displaystyle m=0} .

Безмассовые частицы описываются неприводимыми представлениями группы Пуанкаре. Из этого следует, что они не могут находиться в состоянии с нулевой энергией. Также из этого следует, что значения спина безмассовых частиц могут быть только целыми или полуцелыми.

Термин «безмассовая» не вполне точно отражает природу такой частицы. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, безмассовая частица с энергией E {displaystyle E} переносит эквивалентную ей массу m = E c 2 = p c {displaystyle m={frac {E}{c^{2}}}={frac {p}{c}}} , которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину m {displaystyle m} , а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину m {displaystyle m} . Вследствие принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы, все безмассовые частицы участвуют в гравитационном взаимодействии. Экспериментально наблюдаемыми проявлениями гравитационного взаимодействия для безмассовых частиц являются изменение их энергии (гравитационное красное смещение) и направления распространения (гравитационное отклонение света) в гравитационном поле.

Безмассовые частицы обладают особой сохраняющейся лоренц-инвариантной величиной — спиральностью. Спиральность является проекцией спина частицы на её импульс. Если неприводимое безмассовое поле задаётся представлением группы Лоренца ( j 1 , j 2 ) {displaystyle (j_{1},j_{2})} , то кванты его — безмассовые частицы спиральности λ = j 1 − j 2 {displaystyle lambda =j_{1}-j_{2}} (теорема Вайнберга о спиральности).

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином j {displaystyle j} имеют 2 j + 1 {displaystyle 2j+1} состояний поляризации − j , − j + 1 , . . . , j − 1 , j {displaystyle -j,-j+1,...,j-1,j} , а для безмассовой частицы со спином j {displaystyle j} возможно лишь два состояния поляризации − j , j {displaystyle -j,j} , которые и являются её спиральностью.

Для всех безмассовых частиц понятия внутренней чётности не существует.

Для безмассовых частиц с ненулевым спином понятия орбитального момента импульса не существует.

Объяснение отсутствия в природе безмассовых частиц с нулевым спином является нерешённой проблемой теоретической физики.

Скорость виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из того, что скорость v {displaystyle v} частицы определяется через её импульс p {displaystyle p} , энергию E {displaystyle E} и скорость света c {displaystyle c} соотношением v = p c 2 E {displaystyle v={frac {pc^{2}}{E}}} . Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс p > 0 {displaystyle p>0} , энергия E = 0 {displaystyle E=0} . При подстановке в формулу v = p c 2 E {displaystyle v={frac {pc^{2}}{E}}} этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из соотношения между массой m {displaystyle m} , энергией E {displaystyle E} , импульсом p {displaystyle p} и скоростью света c {displaystyle c} m 2 c 4 = E 2 − p 2 c 2 {displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}} . Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс p > 0 {displaystyle p>0} , энергия E = 0 {displaystyle E=0} . При подстановке в формулу m 2 c 4 = E 2 − p 2 c 2 {displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}} этих значений для массы m {displaystyle m} получается мнимая величина.

Известные безмассовые частицы

  • Фотоны. Единственная вполне достоверно существующая безмассовая частица. Экспериментально подтверждены и её существование, и безмассовость, к тому же весьма сильно аргументированные экспериментально (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретически (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния, вследствие того, что массивные частицы со спином j {displaystyle j} имеют 2 j + 1 {displaystyle 2j+1} состояний поляризации − j , − j + 1 , . . . , j − 1 , j {displaystyle -j,-j+1,...,j-1,j} , а для безмассовой частицы со спином j {displaystyle j} возможно лишь два состояния поляризации − j , j {displaystyle -j,j} , спин фотона j = 1 {displaystyle j=1} ). Впрочем, со стороны эксперимента и наблюдений можно, конечно же, говорить только об ограничении сверху на массу (наблюдения галактических магнитных полей дают величину комптоновской длины волны фотона λ k = ℏ m c ≥ 10 22 {displaystyle lambda _{k}={frac {hbar }{mc}}geq 10^{22}} см, что даёт верхнюю оценку массы фотона 3 , 5 ∗ 10 − 60 {displaystyle 3,5*10^{-60}} грамм.) Аналогом состояний s , p , d , . . . {displaystyle s,p,d,...} c определёнными значениями орбитального момента импульса l {displaystyle l} для фотона являются фотонные мультиполи.
  • Глюоны. Если глюоны существуют, то они являются безмассовыми, но до сих пор их существование может находиться под некоторым сомнением, так как есть некоторые (не слишком большие) сомнения в теории, где они теоретически вводятся — квантовой хромодинамике, а в свободном виде глюоны не наблюдаются (судя по всему, так и должно быть в полном соответствии с теорией, но математически последнее не доказано).
  • Гравитоны. Если гравитоны существуют, то они почти точно являются безмассовыми частицами, точнее — их масса должна быть по крайней мере весьма мала — это следует из закона всемирного тяготения и наблюдений за двойными пульсарами. Наблюдения за затуханием орбитального движения в двойных пульсарах косвенно подтверждают существование предсказываемых общей теорией относительности гравитационных волн, а количественное совпадение данных этих наблюдений с предсказаниями общей теории относительности указывает, что верхний предел массы гравитона определяется частотой ν = 3 ∗ 10 − 5 {displaystyle u =3*10^{-5}} Гц, связанной с периодом орбитального движения 10 {displaystyle 10} часов, m = ℏ ν c 2 {displaystyle m={frac {hbar u }{c^{2}}}} см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона 3 , 5 ∗ 10 − 53 {displaystyle 3,5*10^{-53}} грамм. Кроме этого, поскольку осуществлены одновременные наблюдения прихода гравитационных волн и светового импульса от породившего их события — очень удаленного объекта, показано, что скорость распространения гравитации точно равна скорости света, а это автоматически даёт массу гравитона = 0. Но вопрос об их существовании остаётся открытым в том смысле, что они не были экспериментально обнаружены и вряд ли будут обнаружены в обозримом будущем как индивидуальные частицы. Гравитационные волны, являющиеся (теоретически) первым реально наблюдаемым проявлением невиртуальных гравитонов, были открыты на практике.

Ранее считались

  • Нейтрино. Долгое время считалось, что нулевой массой покоя обладают нейтрино. Однако в настоящее время многочисленные осцилляционные эксперименты с солнечными, атмосферными, реакторными и ускорительными нейтрино надёжно продемонстрировали наличие у них малой, но ненулевой массы покоя (меньше 0,28 эВ, но не нулевая у всех ароматов (ν
    e, ν
    μ, ν
    τ)).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: