如果一个光子可以变成一个电子和一个正电子,那么重子能以同样的方式产生另外两个粒子吗?

时间:2021-03-21 09:41:16   作者:
事实上,引力子(假设它们一开始就存在)可以像其他粒子一样使真空极化。

但是要小心。光子不能变成真正的电子和正电子。它可以变成一个虚拟的电子-正电子对,只要它们很快重新组合成光子。

让我来解释一下为什么会这样。假设一个光子变成一个电子-正电子对。能量当然是守恒的。现在看看这个结果,在,电子-正电子对的质心,的坐标系中。在这个系统中,总能量是电子和正电子的剩余质量的总和,加上它们的动能,减去它们的(吸引)静电势能。当电子和正电子分开时,势能会减小,速度会慢一点;最终,剩余质量和剩余动能会保留下来。这两个都是正的,所以结果是正的。但是在质心系统中,总动量是零。动量也是守恒的;所以在光子变成这对粒子之前,它必须有非零的能量,但动量是零。这当然是不可能的:对于一个真实的光子,E=pc,也就是说,它的能量与它的动量成比例,所以如果一个是非零,另一个也必须是非零。

然而,光子可以变成一个虚的电子-正电子对,因为虚粒子可以,无论多么短暂,违反这些关系。但是这些虚粒子只能暂时存在,比如在它们重新组合成光子之前。

事实上,这是量子场论中一个相当普遍的原理。当你观察一个光子,在某个时刻产生,如何在另一个时刻到达另一个探测器时,你要做的就是开始计算光子完成旅程的方式。最简单也是最有可能的可能性是,它在整个旅程中都保持光子状态。但是它可以(短暂地)分裂成一个电子-正电子对。或者,更复杂的是,虚电子-正电子对可以交换虚光子。或者其中一个可以发射并重新吸收虚光子。虚光子可以通过分裂成另一对虚电子-正电子来继续这种舞蹈。诸如此类……更复杂的扰动,伴随着概率递减。

当然,光子首先必须与粒子相互作用。例如,光子不能变成中微子-反中微子对,因为光子不与中微子相互作用。

重子(再次强调,如果它们存在的话)与一切事物相互作用。是的,它们可以变成电子-正电子对,甚至是中微子-反中微子对。但就像光子的情况一样,这些对是虚的,不是真的,在变回引力子之前只是短暂的存在。考虑到引力的相互作用是多么的微弱,这些效应就更加罕见了。但是的,原则上它们确实会发生。
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