Русская Википедия: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.Шаблон:Sfn
Свойства
Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности, для энергии <math>E=\frac{mc^{2}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math> и импульса <math>p=\frac{mv}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math>скорость <math>v</math> частицы определяется через её импульс <math>p</math>, массу <math>m</math> и скорость света <math>c</math> соотношением <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math>, где <math>E=c\sqrt{p^{2}+m^{2}c^{2}}</math> — энергия частицы. В случае безмассовой частицы <math>m=0</math>, тогда <math>E=c \mid p \mid</math> и, из уравнения <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math> получаем <math>\mid v \mid=c</math>.Шаблон:Sfn 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 <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math>. В случае <math>v=c</math> получаем <math>E=c \mid p \mid</math> и, из уравнения <math>E=c\sqrt{p^{2}+m^{2}c^{2}}</math> получаем <math>m=0</math>.Шаблон:Sfn
Безмассовые частицы описываются неприводимыми представлениями группы Пуанкаре. Из этого следует, что они не могут находиться в состоянии с нулевой энергией.Шаблон:Sfn Также из этого следует, что значения спина безмассовых частиц могут быть только целыми или полуцелыми.Шаблон:Sfn
Термин «безмассовая» не вполне точно отражает природу такой частицы. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, безмассовая частица с энергией <math>E</math> переносит эквивалентную ей массу <math>m = \frac{E}{c^2} = \frac{p}{c}</math>, которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину <math>m</math>, а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину <math>m</math>. Вследствие принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы, все безмассовые частицы участвуют в гравитационном взаимодействииШаблон:Sfn. 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.Шаблон:SfnШаблон:Sfn Если неприводимое безмассовое поле задаётся представлением группы Лоренца <math>(j_{1}, j_{2})</math>, то кванты его — безмассовые частицы спиральности <math>\lambda = j_{1}-j_{2}</math> (теорема Вайнберга о спиральности).Шаблон:Sfn
Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином <math>j</math> имеют <math>2j+1</math> состояний поляризации <math>-j, -j+1, ..., j-1, j</math>, а для безмассовой частицы со спином <math>j</math> возможно лишь два состояния поляризации <math>-j, j</math>, которые и являются её спиральностью.Шаблон:Sfn
Для всех безмассовых частиц понятия внутренней чётности не существует.Шаблон:Sfn
Для безмассовых частиц с ненулевым спином понятия орбитального момента импульса не существует. Шаблон:Sfn
Объяснение отсутствия в природе безмассовых частиц с нулевым спином является нерешённой проблемой теоретической физики.Шаблон:Sfn
Скорость виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из того, что скорость <math>v</math> частицы определяется через её импульс <math>p</math>, энергию <math>E</math> и скорость света <math>c</math> соотношением <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math>.Шаблон:Sfn Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс <math>p>0</math>, энергия <math>E=0</math>. При подстановке в формулу <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math> 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 <math>m</math>, энергией <math>E</math>, импульсом <math>p</math> и скоростью света <math>c</math> <math>m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2</math>.Шаблон:Sfn Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс <math>p>0</math>, энергия <math>E=0</math>. При подстановке в формулу <math>m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2</math> этих значений для массы <math>m</math> 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 <math>j</math> имеют <math>2j+1</math> состояний поляризации <math>-j, -j+1, ..., j-1, j</math>, а для безмассовой частицы со спином <math>j</math> возможно лишь два состояния поляризации <math>-j, j</math>, спин фотона <math>j=1</math>Шаблон:Sfn).Шаблон:SfnШаблон:Sfn 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 <math>\lambda_{k}=\frac{\hbar}{mc} \ge 10^{22}</math> см, что даёт верхнюю оценку массы фотона <math>3{,}5\cdot 10^{-60}</math> грамм.Шаблон:Sfn) Аналогом состояний <math>s, p, d, ...</math> c определёнными значениями орбитального момента импульса <math>l</math> для фотона являются фотонные мультиполи.Шаблон:Sfn
- 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 <math>\nu = 3 \cdot 10^{-5}</math> Гц, связанной с периодом орбитального движения <math>10</math> часов, <math>m=\frac{\hbar \nu}{c^{2}}</math> см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона <math>3{,}5 \cdot 10^{-53}</math> грамм.[2] 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.
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 (Шаблон:SubatomicParticle, Шаблон:SubatomicParticle, Шаблон:SubatomicParticle)[3][4][5]).
Примечания
Литература
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон» Шаблон:Wayback, УФН, 178, с. 813, (2008)
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
