Что означает слово «частица» в физике элементарных частиц?

Мои вопросы:

1) Слово «квант» — прекрасное слово, обозначающее волну с минимальной амплитудой; почему физики настаивают на том, чтобы называть квант частицей?

Слово «квант» в физике используется как «определенное количество переменной» в отличие от «непрерывное количество этой переменной». Существуют кванты энергии, например энергетические уровни атома, которые можно исследовать с помощью квантованной энергии фотона.

Нейтроны и протоны можно рассматривать как кванты, образующие ядро.

Расположение атомов и молекул в кристалле можно рассматривать как пространственные кванты, потому что доступны только определенные места.

Так что определение «кванта» как «волны» неверно. Частица может быть квантом, если она строит определенную единицу, как, например, кварки можно рассматривать как кванты, из которых строятся адроны (грубо говоря, кирпичи).

2) Существует ли уникальное определение слова «частица» в физике, не зависящее от контекста (не казуистическое), с которым могут согласиться все физики?

Да, частица — это объект, положение которого можно определить с помощью (x,y,z,t), а его четыре импульса — с помощью (p_x,p_y,p_z,E), как и в случае макроскопических частиц. Поэтому его называют частицей. НО, говоря об элементарных частицах, царит квантовая механика, и действует принцип неопределенности Гейзенберга .

В квантовой механике то, что можно измерить как частицу в одном эксперименте, как здесь мы видим, как антипротон сталкивается с покоящимся протоном и порождает некоторое количество пионов,

где мы можем измерить четыре импульса каждой частицы на картинке и след, который она оставила в пространстве, может быть волной вероятности в другом эксперименте.

Для полноты вот изображение, используемое в аналогичном вопросе :

Этот эксперимент с двумя щелями с электронным пучком начинается с отдельных электронов (частиц), и детекторы отсчитывают место их столкновения. В а) это выглядит случайным, и только после накопления достаточного количества статистики можно наблюдать интерференционную картину распределения в плоскости xy отдельных попаданий. Материализация распределения вероятностей. В этом конкретном эксперименте щель, через которую прошла отдельная электронная частица, могла быть идентифицирована без разрушения. Интерференционная картина есть. Граничное условие двух щелей показывает волновую природу частицы.

В физике есть два определения частицы, оба широко используемые. Я предпочитаю следующие термины:

1. Асимптотическая частица: фундаментальные входящие состояния S-матрицы.
2. Частица поля: возбуждение фундаментального поля в физическом лагранжиане.

Эти два определения различны в случае составных частиц, которые являются частицами только в смысле 1 (за исключением того, что они также являются частицами типа 2 эффективных теорий), и для таких частиц, как кварки и глюоны, которые являются частицами только во втором смысле. смысл, но не первый.

Первое определение принадлежит Вигнеру, и оно доминировало в физике высоких энергий до 1974 года. Как только кварки были признаны реальными и ограниченными, второе определение взяло верх. Эти два определения идентичны в теориях свободного поля и перекрываются во взаимодействующих теориях поля с незамкнутыми частицами. Но для сильных взаимодействий частицы спектра — это адроны, а фундаментальные поля — это кварки и глюоны, они совершенно разные и требуют других инструментов для анализа.

Спектр частиц в сильных взаимодействиях описывается теорией S-матрицы. Они примерно как струны в теории струн. Фундаментальные частицы описываются теоретико-полевой теорией возмущений. Большая часть физики последних 30 лет посвящена примирению двух разных видов описаний.

В своей статье http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/fields-and-their-particles-with-math/5-waves-quantum/ Штрасслер пытается представить объяснение частиц в квантовой теории поля (КТП) в самых элементарных терминах. В результате он рисует картину и использует терминологию, которая обычно не используется, хотя она дает некоторое представление о том, что такое КТП.

Итак, позвольте мне написать повествование в несколько более абстрактных терминах, но в стандартных обозначениях и терминологии, а затем связать его с тем, что пишет Штрасслер.

Точно так же, как волны одиночного осциллятора (подумайте о вибрирующей струне), можно представить как суперпозицию гармонических волн с заданными частотами.$\omega$(анализ Фурье), поэтому волны протяженной среды (например, воды) можно представить как суперпозицию плоских волн с заданными 4-векторами импульса$p$. Векторы$p$обозначить различные режимы суперпозиции$p$состоит из$p_0=\pm E/c=\pm \omega \hbar/c$где$E$это энергия,$\omega$угловая частота (и$\hbar/c$— постоянный коэффициент пропорциональности) и 3-вектор$\mathbb p$, пространственный импульс, определяющий направление и скорость движения волны. Они связаны так называемым дисперсионным соотношением$p_0^2= \mathbb p^2+(mc)^2$, где$m$- масса (свободного) поля. Если есть только одна мода (а не суперпозиция, что является обычным случаем), то наблюдатель, движущийся со скоростью волны, увидит 4-вектор с нулевым пространственным импульсом (система покоя); поэтому можно считать, что он имеет только один компонент, определяемый частотой.

Теперь квантовое поле — это не обычное поле, а операторнозначное поле. Вы можете думать об операторе как о случайной величине, которая принимает разные значения, называемые собственными значениями, при каждом измерении (если оно может быть измерено) в соответствии с характеристикой распределения вероятностей состояния поля. (Хотя измерение полей — сложная тема, это довольно просто.)

Делая разложение на плоские волны с квантовым полем, каждая амплитуда становится оператором$a(p)$или$a(\omega)$называется оператором создания или уничтожения в зависимости от знака$p_0$; операторы создания имеют дополнительный * в формуле. Эти операторы имеют произвольные комплексные собственные значения (как и в классическом поле, амплитуды — произвольные комплексные числа). [Таким образом, не существует наименьшей амплитуды.]

Однако из-за особенностей собственных значений (которые можно увидеть уже тогда, когда операторы представляют собой просто матрицы 2 на 2) собственные значения произведения, как правило, не равны произведениям собственных значений сомножителей. В случае одиночного квантового осциллятора оказывается, что произведение$a^*a$имеет очень мало собственных значений, а именно только неотрицательные целые числа. Если бы вы измерили$a^*a$(что на самом деле невозможно), поэтому вы получите одно из чисел$n=0,1,2,...$, считая уровень возбуждения (или «количество квантов», хотя эта терминология используется редко). Поэтому называют$a^*a$оператор числа. Уровень 0 — это основное состояние, а более высокие и светлые уровни обладают все большей и большей энергией.

Теперь мы принимаем во внимание все моды, учитывая полное поле вместо одной моды плоской волны. Тогда$a$зависят от 4-импульса$p$, а для получения числового оператора необходимо проинтегрировать операторы$a^*(p)a(p)$по всем возможным 3-импульсам. Тогда снова собственные значения числового оператора являются неотрицательными целыми числами.$n$, на этот раз интерпретируется как количество обнаруженных частиц. Стандартный способ описать эту ситуацию — сказать, что в КТП «частица — это элементарное возбуждение квантового поля».

Отождествляя элементарные возбуждения с квантом, единичная частица становится единичным квантом поля. Более того, если упростить некоммутативные аспекты операторов, рассматривая амплитуду$a$как своего рода квадратный корень из числа$n$, можно сказать, что квант — это «волна с минимальной амплитудой», хотя это вводит в заблуждение, если вы придаете ему более чем метафорическое значение. Это дает образность Штрасслера.

Заметим, что в общем состоянии квантового поля бессмысленно говорить о числе содержащихся в нем частиц, так же как бессмысленно говорить о положении квантового осциллятора. Речь идет о среднем положении осциллятора и среднем числе частиц, которых обычно достаточно, чтобы сделать макроскопический вывод (в квантовой статистической механике) .

События обнаружения частиц, с другой стороны, относятся к очень особым (асимптотическим) состояниям, когда взаимодействие с записывающим оборудованием выделяет конкретное измеряемое состояние с определенным наблюдаемым содержанием частиц. Именно это содержание частиц представлено следами в пузырьковых камерах и фотографиями из CERN, такими как упомянутые в ответе anna_v.

Частица — это название квантовой системы, для которой$P_\mu P^\mu$является положительным кратным единице (квадрат массы), энергия положительна, а угловой момент принимает только определенные дискретные значения (спин).

РЕДАКТИРОВАТЬ: я добавлю ниже несколько дополнительных комментариев, потому что первоначальный вопрос был о связи между частицами и волнами.

Поле$\phi(x)$с определенной частицей связан оператор (или набор операторов, по одному на каждую точку пространства-времени), который посылает состояние вакуума$|0\rangle$в частицу, локализованную в пространстве и времени,$\phi(x)|0\rangle=|\phi(x)\rangle \approx |x\rangle$. Оказывается, для непротиворечивости теории (которой является КТП) эти операторы$\phi(x)$удовлетворяют некоторым лоренц-инвариантным волновым уравнениям. Это, в частности, означает, что$|\phi(x)\rangle$и различные амплитуды$\langle A|\phi(x)\rangle$подчиняются этим волновым уравнениям.

Если предположить, что «частица» относится к элементарным частицам, то да. Элементарная частица – это квант энергии.

В основном путаница возникает из-за того, что люди пытаются упростить то, что на самом деле является тонким различием, и добавляют к этому исторически сложившуюся путаницу в терминологии.

Примечание. Частица в контексте моего поста всегда будет относиться к элементарной частице.

Без сомнения, вы слышали о принципе неопределенности . Это говорит о том, что положение и импульс частицы не могут быть известны одновременно с какой-то произвольной точностью. Существует неопределенность, связанная с положением и импульсом частицы, которая является фундаментальной по своей природе. В каком-то смысле он по своей сути «нечеткий», его положение не определено точно.

Но как именно мы можем сказать, где находится частица? Или сказать, как быстро он движется? Это определяется волновой функцией частицы. Теперь, несмотря на то, что название предполагает, что это волна, на самом деле волновая функция описывает вероятность того, что частица находится в данном месте в данное время. Для «свободной частицы» (которая представляет собой частицу, на которую не действуют внешние силы) волновая функция определяется « волновым пакетом ». На этой странице в Википедии есть хорошая диаграмма, объясняющая это.

Волновой пакет имеет достаточно четко определенные положение и импульс в любой заданной точке, поэтому мы можем точно определить, где он находится. Это то, что люди называют частицами — квантованный волновой пакет, который на самом деле представляет собой просто волновую функцию, описывающую вероятность. Следовательно, все вышесказанное говорит о том, что когда вы можете достаточно точно предсказать, где что-то находится и как быстро оно движется, мы можем назвать это частицей. Что совсем не плохое определение. :)

Вопреки тому, что пишет Мэтт Штрасслер в своем блоге, в физике элементарных частиц нет волн, и поэтому эта дисциплина называется «физика элементарных частиц», а не «волновая физика».

Интуитивно элементарная частица — это самая основная известная часть материи. Каждая элементарная частица характеризуется набором физических свойств: массой, зарядом и спином. Например, фотон — это элементарная частица с нулевой массой, нулевым зарядом и спином.$1$. Все вокруг нас состоит из множества этих элементарных частей. Хорошее введение в эти темы дано на сайте CERN:

http://public.web.cern.ch/public/en/science/Glossary-en.php#P

http://public.web.cern.ch/public/en/science/standardmodel-en.html

Здесь дается обсуждение того, почему частица не является волной и не обладает волновыми свойствами.

http://statintquant.net/siq/siqse3.html#x42-60003

Посмотрим остальные вопросы.

Нет квант это не волна. Термин «квант» обычно относится к небольшому — порядка планковского размера — количеству физического свойства. Квант энергии — это малое количество энергии: например, небольшая разница в энергии между двумя уровнями энергии в атоме водорода. Например, хронон — это гипотетический квант времени.

Элементарные частицы — это квантовые частицы, а квантовые частицы — это не сферические объекты с конечным радиусом. На самом деле технически элементарные частицы считаются точечными объектами.

О ваших конкретных вопросах:

1) Как сказано, «квант» не означает «волна с минимальной амплитудой».

2) Да, технически элементарная частица определяется как неприводимый элемент группы Пуанкаре. Говоря более простым языком, это означает, что любая элементарная частица однозначно идентифицируется и характеризуется массой, зарядом и спином.

Постараюсь внести свои 50 копеек в обсуждение. Насколько я понимаю, когда мы говорим о частицах в квантовом контексте, мы, по сути, переносим наши интуитивные классические концепции в квантовую область.

Что мы понимаем, когда говорим о частицах в обычной жизни? Мы думаем об определенных интегрированных сущностях, более или менее локальных в пространстве, которые составляют более крупную систему (${\it part}$-icle), сохраняя при этом некоторую идентичность. Как следствие последнего, ожидается, что все обширные макроскопические свойства всей системы линейно масштабируются с количеством частиц.

При работе с КТП часто бывает так, что в низкоэнергетическом пределе система может быть сведена к набору гармонических осцилляторов (давайте пока ограничимся бозонными полями). Что является наиболее важной особенностью спектра гармонического осциллятора? Он равноудаленный. Энергия осциллятора линейно пропорциональна числу возбуждения, и всегда требуется одно и то же количество энергии для увеличения состояния возбуждения на один шаг. На первый взгляд это выглядит очень похоже на то, что можно было бы ожидать, имея дело с классическими невзаимодействующими частицами (одинаковая энергия на частицу; общая энергия пропорциональна количеству частиц). Поэтому очень заманчиво определить степень возбуждения$N$определенной степени свободы («числа квантов») с числом «частиц» в соответствующем «ящике» в фазовом пространстве.

Конечно, сходство не простое совпадение, и аналогия очень далеко идущая. Но, в конце концов, это скорее привычка, когда мы думаем о квантах как о частицах. На самом деле отождествление квантов с частицами здравого смысла может иногда становиться довольно трудным, как в случае с фотонами (см., например, https://link.springer.com/article/10.1007/BF01135846 ).