相對論粒子

在粒子物理中，相對論粒子指的是動能超過靜質量能或者與之匹敵的基本粒子。由於靜質能量滿足愛因斯坦的質能方程${\displaystyle E=m_{0}c^{2}}$，故也可以說當粒子速度接近光速時，即可被稱為相對論粒子。^[1]常見的相對論粒子如光子，其狹義相對論的效應可以由狄拉克方程描述。^[2]

根據狹義相對論，一般粒子的能量-動能關係（英語：Energy–momentum relation）可以描述為 ^[3]：

${\displaystyle E^{2}=(p{\textrm {c}})^{2}+\left(m_{0}{\textrm {c}}^{2}\right)^{2}\,}$

1

其中 ${\displaystyle E}$為能量，${\displaystyle p}$ 為動量， 而 ${\displaystyle m_{0}}$ 為粒子的靜質量。當靜質量趨近於零時（如光子），或動量足夠大時（如經由加速器加速的質子），此關係坍縮為線性，即：

${\displaystyle E=p{\textrm {c}}}$

2

這種線性關係與經典粒子中拋物線形狀的能量-動量關係具有顯著區別。因此，在粒子物理實踐中，線性或者至少是非拋物線性的能量-動量色散關係，被認為是相對論粒子的基本特性，並因其上述成因被分為無質量（massless）和具質量（massive）相對論粒子。

在實驗中，具質量相對論粒子的成因是因為其動能接近或超過靜質能量${\displaystyle E=m_{0}c^{2}}$。當具質量粒子的總質能為靜質能量的至少兩倍時，即常被實驗學家視為具有相對論性。根據洛倫茲因子公式，此時，其實際速度應不低於光速的85%。這樣的粒子常可在粒子加速器^[a] 或者宇宙射線中產生。^[b] 在天體物理的研究中, 人們還發現活動星系和類星體的中心會生成相對論性等離子體（英語：Relativistic plasma）的噴流（英語：Relativistic jet）^[4] 另外，利用穿越輻射探測器（英語：Transition radiation detector）觀測高速粒子時，科研人員還發現，當帶電相對論粒子穿過具有不同介電常數的兩個媒體的界面時即會產生的穿越輻射。^[5]

桌面相對論粒子

2012年4月24日，麻省理工學院在其官方主頁報道了由唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的「唐-崔瑟豪斯理論」。該理論提出了在固體材料中構建各向異性的桌面相對論粒子的系統性方法。

相對論電子也可存在於固體材料中，^[6][7] 包括石墨烯^[6]、拓撲絕緣體^[8]、鉍銻合金^[9]等半金屬材料, 和過渡金屬二鹵化物（英語：Transition metal dichalcogenide monolayers）^[10] 、黑磷單層^[11] 等半導體材料。這些材料中的晶格電子的量子效應和相對論效應均可以用狄拉克方程描述，因此被稱為桌面相對論電子或者桌面狄拉克電子。唐爽和崔瑟豪斯夫人通過進一步研究，提出了「唐-崔瑟豪斯理論」。該理論提出了在固體材料中構建各向異性的桌面相對論粒子的系統性方法。^[12][13][14]

桌面相對論粒子的發現為研發新型電子器件、計算機和深入探索狹義相對論效應提供了全新的途徑。^[15][16]

相關內容

• Physics主題

• 超相對論粒子（英語：Ultrarelativistic limit）
• 狹義相對論
• 相對論波動方程（英語：Relativistic wave equations）
• 洛倫茲因子
• 相對論質量
• 相對論等離子體（英語：Relativistic plasma）
• 相對論射流
• 相對論光束（英語：Relativistic beaming）
• 等離子體

備註

1. 例如在大型強子對撞機中超過13太電子伏特的碰撞中， 即可產生總質能超過靜質能6927倍的相對論質子，其實際速度可以達到光速的99.999998958160351322% 。
2. 例如 Oh-My-God 粒子（英語：Oh-My-God Particle）。

參考文獻

1. Stacy, J. Gregory; Vestrand, W. Thomas. Gamma-Ray Astronomy. Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition). Academic Press. 2003: 397-432 [2023-06-17]. ISBN 978-0122274107. （原始內容存檔於2023-06-18）.
2. Enzo, Zanchini. Mass, Momentum and Kinetic Energy of a Relativistic Particle. European Journal of Physics. 2010, 31 (4): 763–773. doi:10.1088/0143-0807/31/4/006.
3. D. McMahon. Quantum Field Theory. DeMystified. Mc Graw Hill (USA). 2008: 11, 88. ISBN 978-0-07-154382-8.
4. Gibbons, Gary William. Relativstic mechanics. Encyclopaedia Britannica. [June 6, 2021]. （原始內容存檔於2023-06-17）.
5. Yuan, Luke C. L. A novel transition radiation detector utilizing superconducting microspheres for measuring the energy of relativistic high-energy charged particles. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2000, 441 (3): 479–482. doi:10.1016/S0168-9002(99)00979-1.
6. Novoselov, K.S.; Geim, A.K. The rise of graphene. Nature Materials. 2007, 6 (3): 183–191. doi:10.1038/nmat1849.
7. Hasan, M.Z.; Kane, C.L. Topological Insulators. Rev. Mod. Phys. 2010, 82 (4): 3045. doi:10.1103/revmodphys.82.3045.
8. Hsieh, David. A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase. Nature. 2008, 452: 970–974. doi:10.1038/nature06843.
9. Dirac cones could exist in bismuth–antimony films （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Physics World, Institute of Physics, 17 April 2012.
10. Diaz, Horacio Coy. Direct Observation of Interlayer Hybridization and Dirac Relativistic Carriers in Graphene/MoS2 van der Waals Heterostructures. Nano Letters. 2015, 15 (2): 1135–1140. doi:10.1021/nl504167y.
11. Francesca, Telesio. Evidence of Josephson Coupling in a Few-Layer Black Phosphorus Planar Josephson Junction. ACS Nano. 2022, 16 (3): 3538–3545. doi:10.1021/acsnano.1c09315.
12. New material shares many of graphene’s unusual properties. Thin films of bismuth-antimony have potential for new semiconductor chips, thermoelectric devices （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. MIT News Office (24 April 2012).
13. Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing Anisotropic Single-Dirac-Cones in BiSb Thin Films. Nano Letters. 2012, 12 (4): 2021–2026. doi:10.1021/nl300064d.
14. Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing A Large Variety of Dirac-Cone Materials in the BiSb Thin Film System. Nanoscale. 2012, 4 (24): 7786–7790. doi:10.1039/C2NR32436A.
15. Superconductors: Dirac cones come in pairs. Advanced Institute for Materials Research. wpi-aimr.tohoku.ac.jp. Research Highlights. Tohoku University. 29 Aug 2011 [2 Mar 2018] （英語）.^{[失效連結]}
16. Basic Research Needs for Microelectronics. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） US Department of Energy, Office of Science, 23–25 October 2018.