Свобо́дная части́ца — идеализированная частица, на которую не действуют внешние силы. В классической механике это означает отсутствие сил, действующих на частицу, а в нерелятивистской квантовой механике — постоянство её потенциальной энергии, которую обычно выбирают равной нулю .

В статистической физике система большого числа невзаимодействующих частиц служит моделью идеального газа .

Свободная частица является одной из простейших моделей классической и квантовой механики; решения для неё используются, в частности, как исходные состояния при описании более сложных систем.

Классическая механика В инерциальной системе отсчёта импульс свободной частицы сохраняется. Для нерелятивистской частицы постоянной массы это означает также постоянство её скорости.

В нерелятивистском случае кинетическая энергия свободной частицы равна ,

где  — масса частицы,  — её скорость, а  — импульс. При выборе потенциальной энергии равной нулю полная энергия равна кинетической: .

Для массивной релятивистской частицы полная энергия равна ,

где  — скорость света, а . Её кинетическая энергия составляет .

Для свободной безмассовой частицы выполняется соотношение .

Нерелятивистская квантовая механика Свободная бесспиновая частица массы описывается свободным уравнением Шрёдингера: ,

где  — волновая функция рассматриваемой частицы,  — приведённая постоянная Планка,  — время.

Собственные функции импульса и гамильтониана имеют вид плоских волн ,

где  — радиус-вектор,  — мнимая единица, , а .

В бесконечном пространстве отдельная плоская волна не является квадратично интегрируемой и поэтому не может быть нормирована на единицу. Такие функции рассматриваются как обобщённые собственные функции импульса и могут быть нормированы на дельта-функцию. Физически нормируемое состояние свободной частицы можно представить в виде волнового пакета, то есть суперпозиции плоских волн: .

Для бесспиновой частицы без дополнительных внутренних степеней свободы плоская волна характеризуется волновым вектором . Если частица обладает спином или другими внутренними степенями свободы, для полного задания состояния требуются дополнительные квантовые числа.

Плоская волна имеет строго определённый импульс и определённую энергию . В общем волновом пакете импульс и энергия могут не иметь определённых значений. Такое состояние может при этом оставаться чистым; смешанное состояние представляет собой статистическую смесь квантовых состояний и не является необходимым следствием неопределённости импульса или энергии.

Свободная частица в криволинейных координатах Гамильтониан свободной частицы в декартовых координатах имеет вид .

При переходе в плоском евклидовом пространстве к произвольным криволинейным координатам оператор Лапласа принимает вид оператора Лапласа — Бельтрами: ,

где  — компоненты метрического тензора, , а  — компоненты обратного метрического тензора. Поэтому .

Следует отличать простую запись свободного гамильтониана в криволинейных координатах плоского пространства от квантования частицы, движущейся на произвольном римановом многообразии. В последнем случае классическая функция Гамильтона имеет вид .

При непосредственном квантовании этого выражения возникает проблема упорядочивания некоммутирующих операторов координат и импульсов. Оператор Лапласа — Бельтрами является естественным кинетическим членом квантового гамильтониана, однако различные способы квантования на искривлённом пространстве могут приводить к дополнительному «квантовому потенциалу», в частности к члену, пропорциональному скалярной кривизне .

Релятивистская квантовая частица Релятивистское квантовое описание зависит от спина и других свойств частицы. Для частиц со спином , в частности электронов и позитронов, используется уравнение Дирака, а для скалярных частиц — уравнение Клейна — Гордона. Последовательное релятивистское описание, допускающее рождение и уничтожение частиц, даётся квантовой теорией поля .

Плоские волновые решения свободного уравнения Дирака удовлетворяют соотношению , откуда формально возникают две ветви .

Однако знак «−» не означает, что физическая энергия позитрона отрицательна. В квантовой теории поля отрицательно-частотные решения уравнения Дирака интерпретируются как состояния античастиц; физические электроны и позитроны имеют положительную энергию .

Уравнение Дирака описывает частицы со спином ; при фиксированном импульсе существуют независимые спиновые состояния частицы и античастицы. Для свободного скалярного поля соответствующим релятивистским волновым уравнением является уравнение Клейна — Гордона.

Примечания

Литература

Категория:Классическая механика Категория:Квантовая механика Категория:Частицы (физика)