Безмассовые частицы
Безма́ссовые части́цы (люксо́ны[1]) — частицы, масса которых равна нулю. Всегда движутся со скоростью света. Способны изменять своё направление движения, энергию и импульc (например, фотон в гравитационном поле). Не имеют аналога в нерелятивистской механике.[2]
Свойства
правитьЛюбая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности, для энергии и импульса скорость частицы определяется через её импульс , массу и скорость света соотношением , где — энергия частицы. В случае безмассовой частицы , тогда и, из уравнения получаем .[2] 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 . В случае получаем и, из уравнения получаем .[2]
Безмассовые частицы описываются неприводимыми представлениями группы Пуанкаре. Из этого следует, что они не могут находиться в состоянии с нулевой энергией.[3] Также из этого следует, что значения спина безмассовых частиц могут быть только целыми или полуцелыми.[4]
Термин «безмассовая» не вполне точно отражает природу такой частицы. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, безмассовая частица с энергией переносит эквивалентную ей массу , которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину , а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину . Вследствие принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы, все безмассовые частицы участвуют в гравитационном взаимодействии[5]. 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.[6][7] Если неприводимое безмассовое поле задаётся представлением группы Лоренца , то кванты его — безмассовые частицы спиральности (теорема Вайнберга о спиральности).[8]
Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином имеют состояний поляризации , а для безмассовой частицы со спином возможно лишь два состояния поляризации , которые и являются её спиральностью.[7]
Для всех безмассовых частиц понятия внутренней чётности не существует.[9]
Для безмассовых частиц с ненулевым спином понятия орбитального момента импульса не существует. [10]
Объяснение отсутствия в природе безмассовых частиц с нулевым спином является нерешённой проблемой теоретической физики.[7]
Скорость виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из того, что скорость частицы определяется через её импульс , энергию и скорость света соотношением .[2] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс , энергия . При подстановке в формулу 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 , энергией , импульсом и скоростью света .[11] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс , энергия . При подстановке в формулу этих значений для массы получается мнимая величина.
Известные безмассовые частицы
править- 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 имеют состояний поляризации , а для безмассовой частицы со спином возможно лишь два состояния поляризации , спин фотона [7]).[12][5] Со стороны эксперимента и наблюдений можно говорить только об ограничении сверху на массу (наблюдения галактических магнитных полей дают величину комптоновской длины волны фотона см, что даёт верхнюю оценку массы фотона грамм.[13]) Аналогом состояний c определёнными значениями орбитального момента импульса для фотона являются фотонные мультиполи.[10]
- 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).[источник не указан 224 дня]
- 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 Гц, связанной с периодом орбитального движения часов, см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона грамм.[14] 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 равным нулю. 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.[источник не указан 224 дня]
Ранее считались
править- 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)[15][16][17]).
Примечания
править- ↑ Кафедра физики космоса . Дата обращения: 5 августа 2014. Архивировано из оригинала 10 августа 2014 года.
- ↑ 1 2 3 4 Широков, 1972, с. 16.
- ↑ Румер, 2010, с. 231.
- ↑ Румер, 2010, с. 233.
- ↑ 1 2 Ширков, 1980, с. 451.
- ↑ Яворский, 2007, с. 973.
- ↑ 1 2 3 4 Румер, 2010, с. 234.
- ↑ Румер, 2010, с. 240.
- ↑ Широков, 1972, с. 67.
- ↑ 1 2 Широков, 1972, с. 148.
- ↑ Широков, 1972, с. 15.
- ↑ Широков, 1972, с. 240.
- ↑ Окунь, 2005, с. 178.
- ↑ Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон» Архивная копия от 14 апреля 2015 на Wayback Machine, УФН, 178, с. 813, (2008)
- ↑ Astronomers Accurately Measure the Mass of Neutrinos for the First Time . scitechdaily.com (10 февраля 2014). Дата обращения: 7 мая 2014. Архивировано 8 мая 2014 года.
- ↑ Foley, James A. Mass of Neutrinos Accurately Calculated for First Time, Physicists Report . natureworldnews.com (10 февраля 2014). Дата обращения: 7 мая 2014. Архивировано 8 мая 2014 года.
- ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2014. — Vol. 112, no. 5. — P. 051303. — doi:10.1103/PhysRevLett.112.051303. — . — arXiv:1308.5870v2. — PMID 24580586.
Литература
править- Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
- Ширков Д. В. Физика микромира. — М.: Советская энциклопедия, 1980. — 527 с.
- Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М.: Оникс, 2007. — 1056 с.
- Румер Ю. Б., Фет А. И. Теория групп и квантованные поля. — М.: Либроком, 2010. — 248 с. — ISBN 978-5-397-01392-5.
- Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. — М.: Едиториал УРСС, 2005. — 352 с. — ISBN 5-354-01084-5.