Безмассовые частицы

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — 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.

СвойстваПравить

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности, для энергии $E=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-<!--\; -\; -->\frac{v^2}{c^2}}}$$E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$  и импульса $p=\frac{mv}{\sqrt{1-<!--\; -\; -->\frac{v^2}{c^2}}}$$p={\frac {mv}{{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ скорость $v$$v$  частицы определяется через её импульс $p$$p$ , массу $m$$m$  и скорость света $c$$c$  соотношением $v=\frac{p{c}^2}{E}$$v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ , где $E=c\sqrt{p^2+m^2{c}^2}$$E=c{\sqrt {p^{{2}}+m^{{2}}c^{{2}}}}$  — энергия частицы. В случае безмассовой частицы $m=0$$m=0$ , тогда $E=c\mid <!--\; \mid \; -->p\mid <!--\; \mid \; -->$$E=c\mid p\mid$  и, из уравнения $v=\frac{p{c}^2}{E}$$v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$  получаем $\mid <!--\; \mid \; -->v\mid <!--\; \mid \; -->=c$$\mid v\mid =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=\frac{p{c}^2}{E}$$v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ . В случае $v=c$$v=c$  получаем $E=c\mid <!--\; \mid \; -->p\mid <!--\; \mid \; -->$$E=c\mid p\mid$  и, из уравнения $E=c\sqrt{p^2+m^2{c}^2}$$E=c{\sqrt {p^{{2}}+m^{{2}}c^{{2}}}}$  получаем $m=0$$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$$E$  переносит эквивалентную ей массу $m=\frac{E}{c^2}=\frac{p}{c}$$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$$m$ , а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину $m$$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)$$(j_{{1}},j_{{2}})$ , то кванты его — безмассовые частицы спиральности $\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}=j_1-<!--\; -\; -->j_2$$\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$$j$  имеют $2j+1$$2j+1$  состояний поляризации $-<!--\; -\; -->j,-<!--\; -\; -->j+1,...,j-<!--\; -\; -->1,j$$-j,-j+1,...,j-1,j$ , а для безмассовой частицы со спином $j$$j$  возможно лишь два состояния поляризации $-<!--\; -\; -->j,j$$-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$$v$  частицы определяется через её импульс $p$$p$ , энергию $E$$E$  и скорость света $c$$c$  соотношением $v=\frac{p{c}^2}{E}$$v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ . Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс $p>0$$p>0$ , энергия $E=0$$E=0$ . При подстановке в формулу $v=\frac{p{c}^2}{E}$$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$$m$ , энергией $E$$E$ , импульсом $p$$p$  и скоростью света $c$$c$  $m^2{c}^4=E^2-<!--\; -\; -->p^2{c}^2$$m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ . Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс $p>0$$p>0$ , энергия $E=0$$E=0$ . При подстановке в формулу $m^2{c}^4=E^2-<!--\; -\; -->p^2{c}^2$$m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$  этих значений для массы $m$$m$  получается мнимая величина.

Известные безмассовые частицыПравить

• 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$$j$  имеют $2j+1$$2j+1$  состояний поляризации $-<!--\; -\; -->j,-<!--\; -\; -->j+1,...,j-<!--\; -\; -->1,j$$-j,-j+1,...,j-1,j$ , а для безмассовой частицы со спином $j$$j$  возможно лишь два состояния поляризации $-<!--\; -\; -->j,j$$-j,j$ , спин фотона $j=1$$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 ${\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}_k=\frac{\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}}{mc}\ge <!--\; \ge \; -->{10}^{22}$$\lambda _{{k}}={\frac {\hbar }{mc}}\geq 10^{{22}}$  см, что даёт верхнюю оценку массы фотона $3,5\ast <!--\; \ast \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->60}$$3,5*10^{{-60}}$  грамм.) Аналогом состояний $s,p,d,...$$s,p,d,...$  c определёнными значениями орбитального момента импульса $l$$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 $\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}=3\ast <!--\; \ast \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->5}$$\nu =3*10^{{-5}}$  Гц, связанной с периодом орбитального движения $10$$10$  часов, $m=\frac{\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}{c^2}$$m={\frac {\hbar \nu }{c^{{2}}}}$  см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона $3,5\ast <!--\; \ast \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->53}$$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 считалисьПравить

• 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)).

ЛитератураПравить

• 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.