Безмассовые частицы

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности, для энергии ${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ и импульса ${\displaystyle p={\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$скорость ${\displaystyle v}$ частицы определяется через её импульс ${\displaystyle p}$, массу ${\displaystyle m}$ и скорость света ${\displaystyle c}$ соотношением ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$, где ${\displaystyle E=c{\sqrt {p^{2}+m^{2}c^{2}}}}$ — энергия частицы. В случае безмассовой частицы ${\displaystyle m=0}$, тогда ${\displaystyle E=c\mid p\mid }$ и, из уравнения ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$ получаем ${\displaystyle \mid v\mid =c}$.^[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 ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$. В случае ${\displaystyle v=c}$ получаем ${\displaystyle E=c\mid p\mid }$ и, из уравнения ${\displaystyle E=c{\sqrt {p^{2}+m^{2}c^{2}}}}$ получаем ${\displaystyle m=0}$.^[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 ${\displaystyle E}$ переносит эквивалентную ей массу ${\displaystyle m={\frac {E}{c^{2}}}={\frac {p}{c}}}$, которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину ${\displaystyle m}$, а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину ${\displaystyle m}$. Вследствие принципа эквивалентности

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 ${\displaystyle (j_{1},j_{2})}$, то кванты его — безмассовые частицы спиральности ${\displaystyle \lambda =j_{1}-j_{2}}$ (теорема Вайнберга о спиральности).^[8]

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином ${\displaystyle j}$ имеют ${\displaystyle 2j+1}$ состояний поляризации ${\displaystyle -j,-j+1,...,j-1,j}$, а для безмассовой частицы со спином ${\displaystyle j}$ возможно лишь два состояния поляризации ${\displaystyle -j,j}$, которые и являются её спиральностью.^[7]

Для всех безмассовых частиц понятия

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 ${\displaystyle v}$ частицы определяется через её импульс ${\displaystyle p}$, энергию ${\displaystyle E}$ и скорость света ${\displaystyle c}$ соотношением ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$.^[2] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс ${\displaystyle p>0}$, энергия ${\displaystyle E=0}$. При подстановке в формулу ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$ 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 ${\displaystyle m}$, энергией ${\displaystyle E}$, импульсом ${\displaystyle p}$ и скоростью света ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}}$.^[11] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс ${\displaystyle p>0}$, энергия ${\displaystyle E=0}$. При подстановке в формулу ${\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}}$ этих значений для массы ${\displaystyle m}$ получается мнимая величина.

• 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 ${\displaystyle j}$ имеют ${\displaystyle 2j+1}$ состояний поляризации ${\displaystyle -j,-j+1,...,j-1,j}$, а для безмассовой частицы со спином ${\displaystyle j}$ возможно лишь два состояния поляризации ${\displaystyle -j,j}$, спин фотона ${\displaystyle j=1}$^[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 ${\displaystyle \lambda _{k}={\frac {\hbar }{mc}}\geq 10^{22}}$ см, что даёт верхнюю оценку массы фотона ${\displaystyle 3{,}5\cdot 10^{-60}}$ грамм.^[13]) Аналогом состояний ${\displaystyle s,p,d,...}$ c определёнными значениями орбитального момента импульса ${\displaystyle l}$ для фотона являются фотонные мультиполи.^[10]

• 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 84 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 ${\displaystyle \nu =3\cdot 10^{-5}}$ Гц, связанной с периодом орбитального движения ${\displaystyle 10}$ часов, ${\displaystyle m={\frac {\hbar \nu }{c^{2}}}}$ см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона ${\displaystyle 3{,}5\cdot 10^{-53}}$ грамм.
  Гравитационные волны, являющиеся (теоретически) первым реально наблюдаемым проявлением невиртуальных гравитонов, были открыты на практике.^{[источник не указан 84 дня}
  ]