Корреляции Бозе-Эйнштейна
 | Эту статью может потребовать очистки Википедии , чтобы она соответствовала стандартам качества . Конкретная проблема заключается в следующем: статья нуждается в большей связности и более четком представлении тем. ( Март 2023 г. ) |
В астрономии , оптике и физике элементарных частиц Эйнштейна корреляции Бозе- [ 1 ] [ 2 ] относятся к корреляциям между идентичными бозонами (например, фотоном , квантами света).
Описание
[ редактировать ]Интерференция двух ( или более) волн устанавливает корреляцию между этими волнами.
В оптике говорят, что два луча света когерентно интерферируют, когда разность фаз между их волнами постоянна; если эта разность фаз случайна или меняется, то лучи являются некогерентными.
В квантовой механике , где каждой частице соответствует волновая функция , мы сталкиваемся, таким образом, с интерференцией и корреляциями между двумя (или более) частицами, математически описываемыми корреляционными функциями второго или более высокого порядка. [ примечание 1 ] Эти корреляции имеют вполне специфические свойства для одинаковых частиц . Затем мы различаем корреляции Бозе-Эйнштейна для бозонов и корреляции Ферми-Дирака для фермионов . В то время как в корреляциях второго порядка Ферми-Дирака частицы сгруппированы, в корреляциях Бозе-Эйнштейна они сгруппированы. Еще одно различие между корреляцией Бозе-Эйнштейна и корреляцией Ферми-Дирака заключается в том, что только корреляции Бозе-Эйнштейна могут представлять квантовую когерентность .
Когерентная суперпозиция амплитуд волн называется интерференцией первого порядка. По аналогии с этим мы имеем интенсивность или интерференцию Хэнбери Брауна и Твисса второго порядка (HBT) , которая обобщает интерференцию между амплитудами на интерференцию между квадратами амплитуд, т.е. между интенсивностями.
Принцип неразличимых частиц
[ редактировать ]Пока число частиц в квантовой системе фиксировано, систему можно описать волновой функцией, которая содержит всю информацию о состоянии этой системы. Это первый подход к квантованию , и исторически корреляции Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака были получены с помощью этого формализма волновой функции. Однако в физике высоких энергий приходится сталкиваться с процессами, в которых частицы рождаются и поглощаются, и это требует более общего теоретического подхода, называемого вторым квантованием . Это подход, на котором основана квантовая оптика , и только с помощью этого более общего подхода можно интерпретировать или открыть квантовую статистическую когерентность, лазеры и конденсаты. Еще одно недавнее явление, открытое с помощью этого подхода, — это корреляция Бозе-Эйнштейна между частицами и античастицами .
Волновая функция двух одинаковых частиц симметрична или антисимметрична относительно перестановки двух частиц, в зависимости от того, рассматривают ли мы идентичные бозоны или идентичные фермионы. Для неодинаковых частиц не существует перестановочной симметрии и согласно формализму волновой функции между этими частицами не должно быть корреляции Бозе-Эйнштейна или Ферми-Дирака. Это относится, в частности, к паре частиц, состоящих из положительного и отрицательного пионов . Однако это верно только в первом приближении: если принять во внимание возможность того, что положительный и отрицательный пион виртуально связаны в том смысле, что они могут аннигилировать и превратиться в пару из двух нейтральных пионов (или двух фотонов), т.е. пару идентичных частиц, мы сталкиваемся с более сложной ситуацией, которую приходится решать в рамках подхода второго квантования. Это приводит, [ 3 ] [ 4 ] к новому виду корреляций Бозе-Эйнштейна, а именно между положительными и отрицательными пионами, хотя и гораздо более слабыми, чем между двумя положительными или двумя отрицательными пионами. С другой стороны, между заряженным и нейтральным пионом такой корреляции нет. Грубо говоря, положительный и отрицательный пион менее неравны, чем положительный и нейтральный пион. Точно так же корреляции Бозе-Эйнштейна между двумя нейтральными пионами несколько сильнее, чем между двумя одинаково заряженными пионами: другими словами, два нейтральных пиона «более идентичны», чем два отрицательных (положительных) пиона.
Удивительная природа этих особых эффектов корреляций Бозе-Эйнштейна попала в заголовки статей в литературе. [ 5 ] Эти эффекты иллюстрируют превосходство теоретико-полевого подхода ко второму квантованию по сравнению с формализмом волновой функции. Они также иллюстрируют ограничения аналогии между оптической интерферометрией и интерферометрией физики элементарных частиц: они доказывают, что корреляции Бозе-Эйнштейна между двумя фотонами отличаются от корреляций между двумя одинаково заряженными пионами, проблема, которая привела к недоразумениям в теоретической литературе и которая была объяснена в. [ 6 ]
История
[ редактировать ]Понятие высшего порядка или квантовой когерентности источников было введено в квантовую оптику Роем Дж. Глаубером . [ 7 ] Хотя первоначально он использовался в основном для объяснения функционирования мазеров и лазеров, вскоре стало понятно, что он имеет важные применения и в других областях физики: при соответствующих условиях квантовая когерентность приводит к бозе-эйнштейновской конденсации . Как следует из названия, корреляции Бозе-Эйнштейна и конденсация Бозе-Эйнштейна являются следствием статистики Бозе-Эйнштейна и, следовательно, применимы не только к фотонам, но и к любым видам бозонов. Таким образом, бозе-эйнштейновская конденсация лежит в основе таких важных явлений конденсированного состояния, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, а бозе-эйнштейновские корреляции проявляются также в адронной интерферометрии.
Почти параллельно с изобретением Робертом Хэнбери-Брауном и Ричардом Твиссом интерферометрии интенсивности в оптике Герсон Гольдхабер , Суламифь Гольдхабер , Вонёнг Ли и Абрахам Пайс (GGLP) открыли [ 8 ] что пионы с одинаковым зарядом, образующиеся в антипротон - протон процессах аннигиляции , группируются, а пионы с противоположными зарядами - нет. Они интерпретировали этот эффект как результат статистики Бозе-Эйнштейна. Впоследствии [ 9 ] выяснилось, что эффект HBT также является эффектом корреляции Бозе-Эйнштейна, эффектом идентичных фотонов. [ примечание 2 ]
Наиболее общим теоретическим формализмом корреляций Бозе-Эйнштейна в субъядерной физике является квантово-статистический подход: [ 10 ] [ 11 ] на основе классического течения [ 12 ] и целостное состояние, [ 13 ] [ 14 ] формализм: он включает в себя квантовую когерентность, длину корреляции и время корреляции.
Начиная с 1980-х годов корреляции Бозе-Эйнштейна стали предметом актуального интереса в физике высоких энергий, и в настоящее время проводятся встречи, полностью посвященные этой теме. [ примечание 3 ] Одной из причин такого интереса является тот факт, что корреляции Бозе-Эйнштейна являются до сих пор единственным методом определения размеров и времен жизни источников элементарных частиц. Это представляет особый интерес для продолжающихся поисков кварковой материи в лаборатории: для достижения этой фазы материи необходима критическая плотность энергии. Чтобы измерить эту плотность энергии, необходимо определить объем огненного шара, в котором предположительно образовалась эта материя, а это означает определение размера источника; Этого можно достичь методом интерферометрии интенсивности. Далее, фаза материи означает квазистабильное состояние, т.е. состояние, живущее дольше, чем продолжительность столкновения, породившего это состояние. Это означает, что нам необходимо измерить время жизни новой системы, которое снова можно получить только с помощью корреляций Бозе-Эйнштейна.
Адронная интерферометрия
[ редактировать ]Корреляции Бозе-Эйнштейна адронов также можно использовать для определения квантовой когерентности в сильных взаимодействиях . [ 15 ] [ 16 ] Обнаружение и измерение когерентности в корреляциях Бозе-Эйнштейна в ядерной физике и физике элементарных частиц было довольно сложной задачей, поскольку эти корреляции довольно нечувствительны даже к большим примесям когерентности из-за других конкурирующих процессов, которые могли бы моделировать этот эффект, а также потому, что часто экспериментаторы не использовали соответствующий формализм при интерпретации своих данных. [ 17 ] [ 18 ]
Самые яркие доказательства [ 19 ] Поскольку когерентность в корреляциях Бозе-Эйнштейна получена в результате измерения корреляций более высокого порядка в антипротон-протонных реакциях на ЦЕРН Суперпротон-антипротонном синхротроне коллаборацией UA1 -Minimum Bias. [ 20 ] Этот эксперимент имеет особое значение еще и потому, что он весьма необычным образом проверяет предсказания квантовой статистики применительно к корреляциям Бозе-Эйнштейна: он представляет собой неудачную попытку фальсификации теории. [ 1 ] Помимо этих практических применений корреляций Бозе-Эйнштейна в интерферометрии, квантово-статистический подход [ 10 ] привело к совершенно неожиданному эвристическому применению, связанному с принципом тождественных частиц, фундаментальной отправной точкой корреляций Бозе-Эйнштейна.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Корреляционная функция порядка n определяет амплитуды перехода между состояниями, содержащими n частиц.
- ^ То, что для установления этой связи потребовалось довольно много времени, отчасти связано с тем, что в интерферометрии HBT измеряются корреляции расстояний, а в корреляциях импульса GGLP.
- ^ Эта тенденция была открыта на встрече «Корреляции и многочастичное производство»-CAMP, материалы которой редактировали М. Плюмер, С. Раха и Р. М. Вайнер, World Scientific 1990, ISBN 981-02-0331-4 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Вайнер, Ричард (2000). Введение в корреляции Бозе-Эйнштейна и субатомную интерферометрию . Чичестер, Англия, Нью-Йорк: Джон Уайли. ISBN 978-0-471-96922-8 . OCLC 41380457 .
- ^ Ричард М. Вайнер, Корреляции Бозе-Эйнштейна в частицах и ядерной физике, Сборник отпечатков, Джон Уайли, 1997, ISBN 0-471-96979-6 .
- ^ Андреев, ИВ; Плюмер, М.; Вайнер, Р.М. (16 декабря 1991 г.). «Сюрпризы от корреляций Бозе-Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 67 (25). Американское физическое общество (APS): 3475–3478. Бибкод : 1991PhRvL..67.3475A . дои : 10.1103/physrevlett.67.3475 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10044745 . перепечатано в ссылке 2, с. 326.
- ^ Разумов Леонид Владимирович; Вайнер, Р.М. (1995). «Квантовая полевая теория корреляций Бозе-Эйнштейна». Буквы по физике Б. 348 (1–2). Эльзевир Б.В.: 133–140. arXiv : hep-ph/9411244 . Бибкод : 1995PhLB..348..133R . дои : 10.1016/0370-2693(95)00119-6 . ISSN 0370-2693 . S2CID 118894149 . перепечатано в ссылке 2, с. 452.
- ^ Боулер, МГ (1992). «О сюрпризах корреляций Бозе-Эйнштейна». Буквы по физике Б. 276 (1–2). Эльзевир Б.В.: 237–241. Бибкод : 1992PhLB..276..237B . дои : 10.1016/0370-2693(92)90570-т . ISSN 0370-2693 .
- ^ Вайнер, Р. (2000). «Бозонная интерферометрия в физике высоких энергий». Отчеты по физике . 327 (5): 249–346. arXiv : hep-ph/9904389 . Бибкод : 2000PhR...327..249W . дои : 10.1016/s0370-1573(99)00114-3 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119412243 .
- ^ Глаубер, Рой Дж. (15 сентября 1963 г.). «Когерентные и некогерентные состояния радиационного поля». Физический обзор . 131 (6). Американское физическое общество (APS): 2766–2788. Бибкод : 1963PhRv..131.2766G . дои : 10.1103/physrev.131.2766 . ISSN 0031-899X .
- ^ Гольдхабер, Герсон; Гольдхабер, Суламифь; Ли, Вонён; Паис, Авраам (1 сентября 1960 г.). «Влияние статистики Бозе-Эйнштейна на процесс аннигиляции антипротон-протон» (PDF) . Физический обзор . 120 (1). Американское физическое общество (APS): 300–312. Бибкод : 1960PhRv..120..300G . дои : 10.1103/physrev.120.300 . ISSN 0031-899X . перепечатано в ссылке 2, стр.3.
- ^ V.G. Grishin, G.I. Kopylov and M.I. Podgoretski¡i, Sov. J. Nucl. Phys. 13 (1971) 638, reprinted in Ref.2, p.16.
- ^ Jump up to: а б Андреев, ИВ; Вайнер, Р.М. (1991). «Пространственно-временные аспекты корреляций Бозе-Эйнштейна и квантовой статистики». Буквы по физике Б. 253 (3–4). Эльзевир Б.В.: 416–420. Бибкод : 1991PhLB..253..416A . дои : 10.1016/0370-2693(91)91743-ф . ISSN 0370-2693 . перепечатано в ссылке 2, с. 312.
- ^ Андреев, ИВ; Плюмер, М.; Вайнер, Р.М. (20 октября 1993 г.). «Квантово-статистический пространственно-временной подход к корреляциям Бозе-Эйнштейна и распределениям множественности». Международный журнал современной физики А. 8 (26). World Scientific Pub Co Pte Lt: 4577–4625. Бибкод : 1993IJMPA...8.4577A . дои : 10.1142/s0217751x93001843 . ISSN 0217-751X . перепечатано в ссылке 2. п. 352.
- ^ Г. И. Копылов и М. И. Подгорецкий, Сов. Дж. Нукл. Физ. 18 (1974) 336, перепечатано в ссылке 2, с. 336.
- ^ Фаулер, Дж.Н.; Вайнер, Р.М. (1 мая 1978 г.). «Эффекты классических полей в мезонных корреляциях». Физический обзор D . 17 (11). Американское физическое общество (APS): 3118–3123. Бибкод : 1978PhRvD..17.3118F . дои : 10.1103/physrevd.17.3118 . ISSN 0556-2821 . перепечатано в ссылке 2, с. 78.
- ^ Дюлассы, М.; Кауфманн, СК; Уилсон, Лэнс В. (1 ноября 1979 г.). «Пионная интерферометрия ядерных столкновений. I. Теория» . Физический обзор C . 20 (6). Американское физическое общество (APS): 2267–2292. Бибкод : 1979PhRvC..20.2267G . дои : 10.1103/physrevc.20.2267 . ISSN 0556-2813 . перепечатано в ссылке 2, с. 86.
- ^ Е. В. Шуряк, Сов. Дж. Нукл. Физ. 18 (1974) 667, перепечатано в ссылке 2, с. 32.
- ^ Фаулер, Дж.Н.; Вайнер, Р.М. (1977). «Возможные доказательства когерентности адронных полей из корреляционных экспериментов Бозе-Эйнштейна». Буквы по физике Б. 70 (2). Эльзевир Б.В.: 201–203. Бибкод : 1977PhLB...70..201F . дои : 10.1016/0370-2693(77)90520-2 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Биядзима, Минору (1980). «Возможная модификация формулировки Лопылова-Подгорецкого-Коккони». Буквы по физике Б. 92 (1–2). Эльзевир Б.В.: 193–198. Бибкод : 1980PhLB...92..193B . дои : 10.1016/0370-2693(80)90336-6 . ISSN 0370-2693 . перепечатано в работе. 2, с. 115
- ^ Вайнер, Р.М. (1989). «Возвращение к адронной интерферометрии». Буквы по физике Б. 232 (2). Эльзевир Б.В.: 278–282. Бибкод : 1989PhLB..232..278W . дои : 10.1016/0370-2693(89)91701-2 . ISSN 0370-2693 . и B 218 (1990), перепечатано в ссылке 2, с. 284.
- ^ Плюмер, М.; Разумов Л.В.; Вайнер, Р.М. (1992). «Доказательства квантовой статистической когерентности на основе экспериментальных данных о корреляциях Бозе-Эйнштейна более высокого порядка». Буквы по физике Б. 286 (3–4). Эльзевир Б.В.: 335–340. Бибкод : 1992PhLB..286..335P . дои : 10.1016/0370-2693(92)91784-7 . ISSN 0370-2693 . перепечатано в ссылке 2, стр. 344.
- ^ Ноймайстер, Н.; Гайдосик, Т.; Бушбек, Б.; Дибон, Х.; Маркитан, М.; и др. (1992). «Корреляции Бозе-Эйнштейна высшего порядка в pp̄-столкновениях при √s=630 и 900 ГэВ» . Буквы по физике Б. 275 (1–2). Эльзевир Б.В.: 186–194. дои : 10.1016/0370-2693(92)90874-4 . ISSN 0370-2693 . перепечатано в ссылке 2, с. 332
