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.

Свойства

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 ${\displaystyle \mid v\mid =c}$ . 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 ${\displaystyle m=0}$ .

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

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином ${\displaystyle j}$ 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.

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 ${\displaystyle v}$ частицы определяется через её импульс ${\displaystyle p}$ , энергию ${\displaystyle E}$ и скорость света ${\displaystyle c}$ соотношением ${\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}$ . 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 ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}}$ . 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.

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 ${\displaystyle j}$ 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 ${\displaystyle j=1}$ ). 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 ${\displaystyle \lambda _{k}={\frac {\hbar }{mc}}\geq 10^{22}}$ см, что даёт верхнюю оценку массы фотона ${\displaystyle 3{,}5\cdot 10^{-60}}$ грамм. ) Аналогом состояний ${\displaystyle s,p,d,...}$ c определёнными значениями орбитального момента импульса ${\displaystyle l}$ 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 ${\displaystyle \nu =3\cdot 10^{-5}}$ 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. 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 ( ν
  e , ν
  μ , ν
  τ ) ).

Примечания

Литература

• 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 .