Bezhmotné částice

Bezhmotné částice ( luxony [1] ) jsou částice, jejichž hmotnost je nulová. Vždy se pohybuje rychlostí světla. Schopné měnit směr svého pohybu , energii a hybnost (například foton v gravitačním poli). Nemají obdobu v nerelativistické mechanice. [2]

Vlastnosti

Jakákoli bezhmotná částice se může pohybovat pouze rychlostí světla . Vyplývá to z toho, že podle vzorců teorie relativity je pro energii a hybnost rychlost částice určena přes její hybnost , hmotnost a rychlost světla vztahem , kde  je energie částice. V případě bezhmotné částice pak a , z rovnice dostaneme . [2] Taková částice nemůže být v klidu: může se zrodit (být vyzářena), pohybovat se rychlostí světla a poté být zničena (absorbována).

Jakákoli částice pohybující se rychlostí světla může být pouze bezhmotná. To vyplývá ze vzorce . V případě , že dostaneme a z rovnice dostaneme . [2]

Bezhmotné částice jsou popsány neredukovatelnými reprezentacemi Poincareovy skupiny . Z toho vyplývá, že nemohou být ve stavu nulové energie. [3] Z toho také vyplývá, že hodnoty spinu bezhmotných částic mohou být pouze celočíselné nebo poloviční. [čtyři]

Výraz "bezhmotný" přesně neodráží povahu takové částice. Podle principu ekvivalence hmotnosti a energie předává bezhmotná částice energii svou ekvivalentní hmotnost , která nesouvisí s její nulovou klidovou hmotností. Hmotnost fyzikálního systému emitujícího bezhmotnou částici v okamžiku emise se sníží o hodnotu a hmotnost fyzikálního systému, který bezhmotnou částici pohltil, se o hodnotu v okamžiku absorpce zvýší . Díky principu ekvivalence setrvačné a gravitační hmoty se gravitační interakce účastní všechny bezhmotné částice [5] . Experimentálně pozorovanými projevy gravitační interakce u bezhmotných částic je změna jejich energie ( gravitační červený posuv ) a směru šíření ( gravitační odchylka světla ) v gravitačním poli.

Bezhmotné částice mají speciální konzervovanou Lorentzovu invariantní veličinu - helicitu . Helicita je projekce rotace částice na její hybnost . [6] [7] Je-li neredukovatelné bezhmotné pole dáno zobrazením Lorentzovy grupy , pak jeho kvanta jsou částice bezhmotné helicity ( Weinbergova helicitní věta ). [osm]

Jedním z důležitých rozdílů mezi hmotnými a bezhmotnými částicemi se spinem je to, že masivní částice se spinem mají polarizační stavy , zatímco pro bezhmotnou částici se spinem jsou možné pouze dva stavy polarizace , což je její helicita. [7]

Pro všechny bezhmotné částice koncept vnitřní parity neexistuje. [9]

Pro bezhmotné částice s nenulovým spinem koncept orbitálního momentu hybnosti neexistuje. [deset]

Vysvětlení nepřítomnosti bezhmotných částic s nulovým spinem v přírodě je nevyřešeným problémem teoretické fyziky. [7]

Rychlost virtuálních částic, včetně těch bezhmotných, nemá žádný fyzikální význam. Vyplývá to ze skutečnosti, že rychlost částice je určena prostřednictvím její hybnosti , energie a rychlosti světla vztahem . [2] Například pro virtuální fotony vyměňované mezi protonem a elektronem v atomu vodíku hybnost , energie . Když se tyto hodnoty dosadí do vzorce pro rychlost, získá se nekonečně velká hodnota.

Hmota virtuálních částic, včetně těch bezhmotných, nemá žádný fyzikální význam. To vyplývá ze vztahu mezi hmotností , energií , hybností a rychlostí světla . [11] Například pro virtuální fotony vyměňované mezi protonem a elektronem v atomu vodíku hybnost , energie . Když se tyto hodnoty dosadí do vzorce pro hmotnost , získá se imaginární hodnota.

Známé bezhmotné částice

• Fotony . Jediná zcela spolehlivě existující bezhmotná částice. Jeho existence i bezhmotnost jsou experimentálně potvrzeny, navíc jsou experimentálně velmi silně argumentovány (rozdíl hmotnosti fotonu od nuly by vedl k rozptylu elektromagnetických vln ve vakuu, které by rozmazávaly pozorované obrazy galaxií po obloze) ateoreticky (v kvantové teorii pole je dokázáno, že pokud by hmotnost fotonu nebyla rovna nule, pak by elektromagnetické vlny měly tři, a ne dva , polarizační stavy , protože masivní částice se spinemmajípolarizační stavy, a pro bezhmotnou částici se spinemjsou možné pouze dva polarizační stavy, spin fotonu [7] ). [12] [5] Z hlediska experimentu a pozorování však samozřejmě můžeme mluvit pouze o horní hranici hmotnosti (pozorování galaktických magnetických polí udává hodnotu Comptonovy vlnové délky fotonucm, což udává horní odhad hmotnosti fotonugram. [13] ) Obdobou stavůs určitými hodnotami orbitálního momentu hybnostipro foton jsou fotonové multipóly . [deset]

• Gluony . Pokud gluony existují, pak jsou bezhmotné, ale zatím může být jejich existence v určitých pochybnostech, protože v teorii, kde jsou teoreticky zavedeny, existují určité (ne příliš velké) pochybnosti - kvantová chromodynamika a volné gluony nejsou pozorovány (zřejmě , mělo by to tak být plně v souladu s teorií, ale ta nebyla matematicky prokázána).
• Gravitony . Pokud existují gravitony, pak jsou to téměř jistě bezhmotné částice, přesněji - jejich hmotnost musí být minimálně velmi malá - vyplývá to ze zákona univerzální gravitace a pozorování binárních pulsarů. Pozorování zeslabení orbitálního pohybu v binárních pulsarech nepřímo potvrzují existenci gravitačních vln předpovězených obecnou teorií relativitya kvantitativní shoda těchto pozorování s předpověďmi obecné relativity ukazuje, že horní mez hmotnosti gravitonu je určena frekvencíorbitálního pohybuhodinviz, že dává horní hranici pro hmotnost gravitonu vgramech. [14] Navíc, protože byla provedena současná pozorování příchodu gravitačních vln a světelného pulzu z události, která je vygenerovala - velmi vzdáleného objektu, ukázalo se, že rychlost šíření gravitace je přesně rovna rychlost světla, a tím automaticky získá hmotnost gravitonu = 0. Ale otázka jejich existence zůstává otevřená v tom smyslu, že nebyly experimentálně detekovány a je nepravděpodobné, že by byly v dohledné době detekovány jako jednotlivé částice. V praxi byly objeveny gravitační vlny , které jsou (teoreticky) prvním skutečně pozorovaným projevem nevirtuálních gravitonů.

Dříve považováno za

• Neutrino . Po dlouhou dobu se věřilo, že neutrina mají nulovou klidovou. V současnosti však četné oscilační experimenty se slunečními, atmosférickými, reaktorovými a urychlovacími neutriny spolehlivě prokázaly, že mají malou, ale nenulovou klidovou hmotnost (méně než 0,28 eV , ale ne nulu pro všechny příchutě ( ν
  E, v
  μ, v
  τ) [15] [16] [17] ).

Poznámky

1. ↑ Katedra vesmírné fyziky (nepřístupný odkaz) . Získáno 5. srpna 2014. Archivováno z originálu 10. srpna 2014. (neurčitý) 
2. ↑ 1 2 3 4 Shirokov, 1972 , str. 16.
3. ↑ Rumer, 2010 , str. 231.
4. ↑ Rumer, 2010 , str. 233.
5. ↑ 1 2 Širkov, 1980 , str. 451.
6. ↑ Yavorsky, 2007 , s. 973.
7. ↑ 1 2 3 4 Rumer, 2010 , str. 234.
8. ↑ Rumer, 2010 , str. 240.
9. ↑ Širokov, 1972 , s. 67.
10. ↑ 1 2 Shirokov, 1972 , s. 148.
11. ↑ Širokov, 1972 , s. patnáct.
12. ↑ Širokov, 1972 , s. 240.
13. ↑ Okun, 2005 , str. 178.
14. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. „Modification of gravity at large distances and a masivní graviton“ Archivní kopie ze dne 14. dubna 2015 na Wayback Machine , UFN , 178, s. 813, (2008)
15. ↑ Astronomové poprvé přesně změřili hmotnost neutrin . scitechdaily.com (10. února 2014). Získáno 7. 5. 2014. Archivováno z originálu 8. 5. 2014. (neurčitý)
16. ↑ Foley, James A. Hmotnost neutrin poprvé přesně vypočtená, zpráva fyziků . natureworldnews.com (10. února 2014). Získáno 7. 5. 2014. Archivováno z originálu 8. 5. 2014. (neurčitý)
17. ↑ Battye, Richard A.; Mossi, Adame. Důkazy pro masivní neutrina z kosmického mikrovlnného pozadí a pozorování čočky  // Physical Review Letters  : journal  . - 2014. - Sv. 112 , č. 5 . — P. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .

Literatura

• Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Jaderná fyzika. - M. : Nauka, 1972. - 670 s.
• Shirkov DV Fyzika mikrosvěta. - M . : Sovětská encyklopedie, 1980. - 527 s.
• Příručka fyziky Yavorsky BM pro inženýry a studenty vysokých škol. - M. : Oniks, 2007. - 1056 s.
• Yu. B. Rumer , AI Fet Teorie grup a kvantovaných polí. - M. : Librokom, 2010. - 248 s. - ISBN 978-5-397-01392-5 .
• Okun' LB Leptony a kvarky. - M. : Editorial URSS, 2005. - 352 s. — ISBN 5-354-01084-5 .