Почему фотоны не распадаются на несколько версий самих себя с меньшей энергией?

После гипотетического расщепления 2 фотона с одинаковой энергией будут распространяться под углом ok с сохранением импульса. Затем будет опорная рама, где угол равен 180 градусам. Теперь, если вы останетесь в этом фрейме покоя и вернетесь назад во времени до расщепления, ваш единственный фотон будет в покое. Однако это невозможно: согласно теории относительности скорость света постоянна для всех систем отсчета. Таким образом, в вакууме (т.е. без передачи импульса при расщеплении) не может быть разделения одного фотона на два. Математически причина в том, что группа Лоренца некомпактна, что означает, что параметр гамма может принимать любое значение из [1, бесконечность), но не сама бесконечность, что соответствовало бы системе координат, движущейся со скоростью света, со всеми массивными частицами, имеющими бесконечные кинетическая энергия.

Фотон — элементарная частица. Столько же элементарных и столько же частиц, как электрон.

Отдельная элементарная частица имеет фиксированную массу и не может излучать другую частицу без нарушения закона сохранения энергии, поскольку ее масса фиксирована. В центре масс массивной элементарной частицы, электрона, нет энергии для излучения, для излучающего электрона в поле энергия подводится полем.

Если бы элементарная частица с нулевой массой, такая как фотон, могла бы разделиться на две части, вдруг появилась бы инвариантная масса, и до расщепления она имела бы нулевую инвариантную массу, а после расщепления — измеримую инвариантную массу. Это означает , что нарушается закон сохранения импульса и энергии , поскольку инвариантная масса является мерой четырех векторов до и после расщепления. Фотон также может взаимодействовать с полем на диаграммах более высокого порядка, но не может разделяться в том смысле, который вы себе представляете.

Изменить после обсуждения в комментариях:

Предположим, что фотон может распасться на два фотона.

Эти фотоны будут иметь четыре вектора. Возможны две ситуации: их три импульса параллельны в лаборатории исходному фотону, или существует угол трех импульсов с исходным фотоном и также между ними. В последнем случае два фотона распада определяют центр масс (аналогичный pi0 в состоянии покоя). В этой системе два импульса в сумме дают ноль, но будет энергия, придающая системе инвариантную массу, что нарушает закон сохранения энергии, поскольку первоначальный фотон имел инвариантную массу 0, т.е. не может обеспечить эту энергию. Исходный фотон в центре масс распавшихся фотонов будет по-прежнему двигаться со скоростью c и, следовательно, иметь импульс, отличный от нуля, поэтому сохранение импульса также нарушается.

В случае двух коллинеарных фотонов в лаборатории их инвариантная масса будет равна нулю при пределе угла между ними, равном точно 0, в противном случае приведенный выше аргумент остается в силе. Если это ровно 0, центр масс определить невозможно, потому что система с нулевой массой движется со скоростью света.

Таким образом, возникает вопрос: почему фотон частоты nu не превращается в лабораторных условиях в два точно коллинеарных фотона более низкой частоты. Экспериментально это не наблюдалось, поэтому, если это может произойти, это процесс с очень очень низкой вероятностью. В комментариях Любош Мотл приводит следующее утверждение: «Для фотонов эта амплитуда равна 0 из-за абелевой калибровочной симметрии и других симметрий». Я все еще ищу ссылку на это.

В следующем ответе коллинеарный случай исключается специальной теорией относительности,

Математически причина в том, что группа Лоренца некомпактна, что означает, что параметр гамма может принимать любое значение из [1, бесконечность), но не сама бесконечность, что соответствовало бы системе координат, движущейся со скоростью света, со всеми массивными частицами, имеющими бесконечные кинетическая энергия.

Фотоны обладают хиральностью, поэтому вам также следует учитывать сохранение углового момента. За$1\gamma \to 2\gamma$рассеяние, это будет невозможно. (Я предполагаю образование только коллинеарных фотонов; очевидно, что если два фотона не коллинеарны, закон сохранения энергии и импульса будет нарушен)

Это похоже на реакцию$\gamma \to 2\gamma$не только динамически запрещена (теорема Фурри), но и кинематически запрещена.

Как указывает Декстер Ким, единственный способ сохранить энергию и импульс состоит в том, что два фотона излучаются с$0°$, и в этом случае угловой момент вдоль направления движения определяется связью двух фотонных спинов.

Спин фотона может принимать только значения$m=\pm 1$. Глядя на$1+1\to 1$Клебша-Гордана, мы понимаем, что единственная возможная связь двух спинов фотона с$j=1$имеет$m=0$. Но, опять же, исходный фотон$m=\pm 1$. Следовательно, угловой момент не может сохраняться вместе с четырехимпульсом в$\gamma \to 2 \gamma$.

Каждый фотон имеет собственный угловой момент, спин, который отличен от нуля. Это 1 для фотона. Вот почему правило отбора для атома, испускающего фотон, таково: Delta j = +/- 1. Следовательно, это случай нарушения углового момента, если фотон собирается разделить на два или более, в то время как закон сохранения энергии все еще сохраняется. Система, содержащая один фотон, имеет полный угловой момент 1, но если этот фотон разделится на 2 фотона, полный угловой момент будет другим.

Это два фактора, влияющие на распад любой частицы. Есть матричный элемент, который исходит из фундаментальной физики, и плотность состояний, которая исходит из кинематики, в основном от того, насколько тяжела материнская частица по сравнению с дочерними частицами. Любой из них, будучи очень маленьким, замедляет распад (или, если он равен нулю, распад вообще не происходит).

Пример:

Свободный нейтрон имеет матричный элемент, примерно равный свободному мюону. Но мюон распадается на частицы, намного более легкие, чем он сам (мюон имеет массу 106 МэВ, а объединенные продукты распада имеют массу около 0,5 МэВ). С другой стороны, нейтрон едва тяжелее своих продуктов: нейтрон имеет массу 939,6 МэВ, а его продукты в сумме дают 938,8 МэВ.

Результат? Время жизни мюона составляет 0,0000022 секунды, а время жизни нейтрона — 890 секунд. Нейтрон живет в 400 миллионов раз дольше! На жаргоне физики элементарных частиц мы называем такое взаимодействие, как это фазовое пространство, подавленным .

Взаимодействие, подобное$\gamma \rightarrow \gamma + \gamma$еще больше подавлено фазовое пространство. Таким образом, фазовое пространство фактически подавлено, что скорость затухания этого взаимодействия формально вычисляется до нуля, даже если матричный элемент не равен нулю. (В стандартной модели матричный элемент для$\gamma \rightarrow 2\gamma$в любом случае равен нулю, и мы знаем из эксперимента, что он все равно очень мал)

Тот же самый аргумент работает для одного фотона, расщепляющегося на любое количество фотонов. Таким образом, это также запрещает расщепление одного фотона на три, четыре или более фотонов.

Безусловно, термодинамически возможно исчезновение фотона с высокой энергией и создание множества фотонов с более низкой энергией. Это можно наблюдать как каскад событий (фотоэлектрическое поглощение фотона, за которым следует несколько фотонов флуоресценции) при термализации фотона высокой энергии, взаимодействующего с веществом. Это не простая реакция с входом фотона и выходом двух фотонов, потому что она не уравновешивается как реакция частиц (не может сохранять энергию, импульс и угловой момент).

Обычный каскад, который термализует энергию в веществе из рентгеновского фотона, может генерировать некоторые другие фотоны, но в основном генерирует фононы или нестабильные атомные состояния (возбужденные электроны). Фотоны могут появиться НАМНОГО позже; термолюминесцентные устройства аккумулируют рентгеновское излучение в течение нескольких недель, чтобы создавать ИК-фотоны, когда значок излучения находится в считывателе.