Проблемы физической интерпретации в теории релятивистского излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Национальный исследовательский Томский

государственный университет

На правах рукописи

Немченко Екатерина Александровна

ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ В ТЕОРИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 1 ОКТ 2013

Томск 2013

005536400

005536400

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" на кафедре теоретической физики.

Бордовицын Владимир Александрович, д-р физ. - мат. наук, профессор.

Пивоваров Юрий Леонидович, д-р физ. - мат. наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет".

Эпп Владимир Яковлевич, д-р физ. - мат. наук, профессор кафедры теоретической физики ФГБОУ ВПО 'Томский государственный педагогический университет".

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", физический факультет

Защита диссертации состоится " 28 " ноября 2013 года в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 при Томском государственном университете в аудитории 222 СФТИ по адресу: 634050, г. Томск, НовоСоборная площадь, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан "22." октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

совета

Киреева Ирина Васильевна

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Теория электромагнитного излучения релятивистских частиц представляет собой крупный раздел современной классической и квантовой электродинамики с многочисленными применениями в области физики элементарных частиц, ядерной физики, физики твердого тела, физики синхротронного и космического излучения. Возможно, что в связи с этим исследования излучения релятивистских частиц в настоящее время все более смещаются в область инженерных и технических приложений теории, в которых уже накоплен большой практический опыт. К сожалению, сейчас новым чисто теоретическим и фундаментальным исследованиям релятивистского излучения стало уделяться меньше внимания. И это несмотря на то, что целый ряд вопросов теории релятивистского излучения и связанных с ним процессов нуждается еще в более глубоком физическом осмыслении, а некоторые проблемы этого излучения, как следует, даже и не рассматривались.

Речь идет о проблемах специфики физической интерпретации целого ряда эффектов в теории релятивистского излучения, например, таких как спиновый свет в линейном по постоянной Планка приближении, роли спина и, в частности, ларморовской и томасовской прецессии в теории излучения, их вкладе в полную мощность излучения заряда, а также в полную мощность излучения самого углового момента импульса. Кстати, теория излучения углового момента электромагнитного поля (УМЭП) в таких практически важных областях как, например, синхротронное излучение до сих пор вообще не рассматривалась. По-видимому, это связано в первую очередь с тем, что основы описания УМЭП после открытия Садовского и экспериментального подтверждения его Бесом и Холборном еще долгое время вызывали споры и бурные дискуссии среди физиков. Самым большим недостатком этих работ является то, что многие авторы ипользовали для описания УМЭП нековари-антный подход, т. е. по-существу неправильный метод его описания. В более интенсивном развитии нуждается и проблема применимости релятивистского излучения в космосе, например, для объяснения формы профилей излучения пульсаров. Несмотря на то, что в этом направлении было проделано много интересных исследований, точные методы теории релятивистского излучения для построения профилей пульсаров, за исключением небольшого числа известных работ, почти не использовались.

Цели работы. Основными целями диссертации являются:

1. Анализ вклада ларморовской и томасовской прецессии спина в полную мощность синхротронного излучения с учетом аномального магнитного момента электрона.

2. Установление связи мощности излучения собственного полевого момента импульса электромагнитного поля с прецессией спина.

3. Сравнение значений мощности мгновенного орбитального и собственного угловых моментов излучения в ультрарелятивистском пределе.

4. Построение индикатрис мгновенного и среднего за период угловых распределений синхротронного излучения орбитального углового момента импульса.

5. Оценка значений полевого орбитального углового момента импульса синхротронного излучения для параметров типичного современного накопительного кольца электронов.

6. Воспроизведение профилей излучения экспериментально наблюдаемых пульсаров с использованием в ходе построения различных параметров, которые влияют на формирование профилей излучения этих пульсаров.

Научная новизна. Данная диссертация посвящена малоизученным и во многом даже не рассматривавшимся вопросам физической интерпретации в теории релятивистского излучения, а также некоторым практическим применениям полученных результатов исследований. При этом особое внимание уделяется синхротронному излучению (СИ), как основному направлению в теории релятивистского излучения, и новым свойствам этого излучения, включая излучение УМЭП СИ с учетом его орбитального и собственного угловых моментов. Тщательному изучению на основе индикатрис углового распределения мощности релятивистского излучения подвергся также вопрос о формировании многочисленных наблюдаемых экспериментально профилей космического радиоизлучения пульсаров.

Теоретическая ценность и практическая значимость. Проблемы интерпретации физических эффектов в теории релятивистского излучения состоят в том, что наиболее строгое описание этих эффектов, как и многих других микропроцессов, возможно только в квантовой теории. Однако этот факт вызывает также появление целого ряда трудностей в физической интерпретации и более глубоком понимании целого ряда явлений, происходящих в микромире.

Вот почему проделанный в настоящей диссертации с привлечением методов релятивистской полуклассической теории всесторонний анализ накопившихся проблем физической интерпретации теории излучения заряженных релятивистских частиц представляет большой интерес для широкого круга исследователей, занимающихся релятивистским (особенно синхротронным) излучением элементарных частиц, а также другими процессами, происходящими в микромире и космосе.

Данная работа является еще одним подтверждением единства законов природы в описании самых разнообразных физических явлений.

Такого рода исследования позволяют дать более четкую физическую интерпретацию многим процессам в микромире, когда физическое понимание проблем затрудняется весьма громоздким математическим аппаратом квантовой теории. Изложенные здесь методы являются также наглядной демонстрацией возможностей контроля правильности полученных результатов с применением основополагающего принципа соответствия.

Положения выносимые на защиту:

1. Установление точного полу классического аналога спектрально-углового линейно-поляризованного распределения энергии в классической теории релятивистского излучения. Анализ этого выражения с целью разрешения целого ряда проблем физической интерпретации релятивистского излучения.

2. Анализ вклада ларморовской и томасовской прецессии спина в полную мощность синхротронного излучения с учетом аномального магнитного момента электрона.

3. Полуклассическая интерпретация эффективной электромагнитной массы электрона на основе классического электродинамического самодействия конвективного электромагнитного поля.

4. Построение релятивистской классической теории излучения углового момента импульса и ее применение в теории синхротронного излучения.

5. Техника кинематического построения экспериментально наблюдаемых профилей излучения пульсаров для мгновенного излучения кривизны из магнитных полюсов на основе соответствующих индикатрис синхротронного излучения (модель Радхакришнана и Кука).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

1. XIII Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование", 20-24 апреля 2009 г., Томск, ТГПУ.

2. Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, August 19-25, 2009, Moscow, MSU.

3. VIII International Symposium on Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures, September 7-11, 2009, Zvenigorod.

4. XIV Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование", 19-23 апреля 2010 г., Томск, ТГПУ.

5. International Conference QFTG'2010 (Quantum Field Theory and Gravitation), July 5-9, 2010, Tomsk, TSPU.

6. XVIII Международная конференция по использованию синхротронно-го излучения "СИ-2010", 19-22 июля 2010 г., Новосибирск, Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Сибирский центр синхро-тронного и терагерцового излучения.

7. V Международная конференция "Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений", 2-7 августа 2010 г., Петропавловск-Камчатский, Институт космофизических исследований и распространения радиоволн.

8. The 19th International Spin Physics Symposium SPIN 2010, September 27 - October 2, 2010, Germany, Forschungszentrum Juelich.

9. Fifteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, August 18-24, 2011, Moscow, MSU.

10. XIX Международная конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-2012", 25-28 июня 2012 г., Новосибирск, Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения.

11. International Conference QFTG'2012 (Quantum Field Theory and Gravitation), July 31-August 4, 2012, Tomsk, TSPU.

12. 47-я Школа по физике конденсированного состояния "ФКС-2013", 11-16 марта 2013 г., Санкт-Петербург, ПИЯФ.

13. Всероссийская астрономическая конференция "Многоликая Вселенная"(ВАК-2013), 23-27 сентября 2013 г., Санкт-Петербург, Park Inn Pulkovskaya.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано десять работ, указанных в конце автореферата. Из них пять в изданиях по перечню ВАК [1,2,6-8], две - в рецензируемых журналах [4,10], три - в сборниках трудов конференций [3,5,9].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и шести приложений. Список использованной литературы содержит 135 наименований на 12 страницах. Текст диссертации содержит 106 страниц машинописного текста, включая 22 рисунка.

Содержание работы

Во Введении сформулированы основные цели и задачи, а также подробно описана структура диссертации.

Первая глава. Специфика релятивистской теории излучения. В этой главе, имеющей вводный характер, основное внимание уделяется общим свойствам релятивистского, и в особенности, синхротронного излучения. Это связано с тем, что мгновенное излучение любого ультрарелятивистского заряда, движущегося по криволинейной траектории, за исключением гиперболически ускоренного заряда, по своим свойствам совпадает со свойствами синхротронного излучения. Приводится оценка спектрального состава непрерывного излучения компактных сгустков электронов и показано, что максимум мощности излучения попадает в гамма-диапазон спектра излучения. В основе всех этих расчетов лежит релятивистская полуклассическая теория излучения, когда траектория движения заряда рассматривается чисто классически, а процесс излучения рассчитывается с применением законов квантовой электродинамики. Кроме относительной простоты математического формализма данной теории, ее достоинством является и то, что в предельном случае Ь. —* О она позволяет получить и дать наглядное физическое объяснение всем известным характеристикам релятивистского синхротронного излучения с учетом квантовых поправок к мощности излучения. Далее рассматривается кинематический метод Владимирского-Швингера-Джексона и показано, каким образом он может быть применен также и для исследования спинового света - нового физического феномена, связанного со спиновыми свойствами излучающей частицы.

Вторая глава. Спиновый свет в классической и полуклассической теории релятивистского излучения. Здесь особенности полуклассической теории релятивистского излучения используются для более глубокого понимания физической сущности и происхождения квантовых поправок в мощности релятивистского излучения. Установлено, что определяющие вероятность излучения матричные элементы в квантовой теории излучения

имеют классические аналоги, построенные из соответствующих фурье-компонент чисто классической теории

-00

—оо

Далее в линейном по h приближении исследуются некоторые характеристики спинового света в релятивистской паду классической теории с помощью разработанного в первой главе метода. Было изучено, как влияют особенности прецессии спина при движении электрона по криволинейной траектории на характеристики излучения, связанные со спином. Общая тенденция проделанных здесь исследований состоит в проверке методов описания квантово-механнческнх систем исходя из их взаимосвязи с классическими аналогами. Так например, в п. 2.5 дано определение эффективной электромагнитной массы электрона на основе электромагнитного поля, созданного электроном в непосредственной близости к заряду |1|, с использованием точных методов чисто классической релятивистской электродинамики.

Полученные во второй главе результаты подтверждают правильность наших предпосылок и справедливость принципа соответствия классической и квантовой теории ноля. Это открывает новые возможности для применения этих идей при изучении таких эффектов, как электромагнитная масса электрона, Zitterbewegung и т. д.

Третья глава. Классическая теория углового момента релятивистского излучения и ее применения. В третьей главе подробно изучены новые свойства орбитального и собственного угловых моментов импульса для наиболее важного в практическом отношении случая синхротронного излучения |2].

В наших исследованиях с самого начала мы придерживаемся ковариант-ных методов анализа в рамках специальной теории относительности. Наиболее близкими к этому способу описания нолевого углового момента являются два направления - это метод Иваненко-Соколова и метод Тейтельбойма.

Полученные нами результаты дтя мощностей излучения орбитального и собственного УМЭП (в волновой зоне)|3]

показали, что оба эти метода, несмотря на все их формальные и чисто внешние различия, полностью совпадают! Этот вывод открывает новое направление в теории релятивистского излучения, связанное с исследованиями углового момента В конкретных практически важных случаях релятивистского излучения.

Также в ходе работы было установлено, что мощность излучения спинового углового момента электромагнитного поля

прямо пропорциональна частоте прецессии Томаса |4-6]

~~г~|тл = ¿КиЛ - = —Я^тт,.

ат с* тос

Тем самым здесь впервые был обнаружен динамически!) аспект происхождения этого явления |7), считавшегося до сих пор чисто кинематическим.

Особое внимание уделяется угловому распределению и мощности орбитального момента импульса синхротронного излучения. Наглядно демонстрируется эффект релятивистской направленности излучения момента импульса и получена скорость изменения углового момента СИ. Усредненная по периоду обращения электрона индикатриса углового распределения орбитального УМЭП СИ имеет вид

• 2 л \_3_ 5 1

показанный на Рис. 1 б.

Рис. 1: Индикатриса УМЭП СИ для ß = 0.9: а) мгновенного углового распределения dL./dr, б) среднего за период движения электрона dL./dr.

Конкретные оценки орбитального УМЭП СИ на примере типичного источника СИ с параметрами: энергия электронов - 10 ГэВ, радиус орбиты накопительного кольца - 12,6 м (DORIS, Hamburg) дают следующее значение

Li =JVL| = N-Emaj « 4 • 10*эрг • с,

Ii 1г С

здесь N = 10й - полное число электронов в сгустке. Полученное значение полного орбитального УМЭГ1 СИ от одного электронного сгустка на много порядков больше, чем угловой момент луча лазера круговой поляризации в световом импульсе с энергией 1 Дж на длине волны 0,5 мкм, для которого

¿ = 2,5 10"°эргс.

Четвертая глава. Построение и идентификация профилей из-гибного излучения пульсаров. В четвертой главе разрабатывается кинематический метод построения профилей излучения пульсаров. Пульсары - это быстро вращающиеся нейтронные звезды, импульсный характер излучения которых объясняется моделью маяка - вращающегося луча, который периодически попадает от источника излучения на наблюдателя. Профиль излучения пульсара находится как сечение вращающейся индикатрисы излучения неподвижным в пространстве лучом зрения. С физической точки зрения пульсары представляют собой уникальные объекты для исследования вещества в экстремальном состоянии сверхбольших плотностей (10м - 1015 г/см3) и сверхвысоких энергий (7 » 1) в сверхсильных магнитных полях (1012 - 1015 Гс). За основу построения берется индикатриса углового распределения мощности мгновенного излучения джета, состоящего из произвольно движущихся от магнитных полюсов релятивистских -зарядов

1 „sin t?совV?sino + C081?C08Q

old <¿ra) --* + 23---2-COS a-

(1-0CO8I?)1 P (1 — pco&ú)

2 COS losing + cost? coso)2

"(1 " 0 ) (1 -0CO6t?)S '

Связь угловых параметров индикатрисы излучения с параметрами системы пульсар-наблюдатель дается соотношениями:

sin сое tp — sin С cos X) сое A coe(ftt-<5)-coe С sin г) cos A+sin ( sin A sin(íít— sin t? sin <p = - sin < cos »/sin A cos(fií-«$)+coe{ sin 77 sin A+sin < cos A sin(SU-6), coed = cos с cos r?+sin с sin T) cos(ílt-<$),

которые позволяют построить профили излучения пульсаров, если известен вид конкретной индикатрисы излучения p(ú,¡p;a). Исследуются различные формы профилей (см. Рис. 2) в зависимости от разных значений параметров источников излучения и самого пульсара [8].

На этом рисунке a - угол между скоростью и ускорением заряженной частицы, А - угол поворота плоскости траектории джета вокруг магнитной оси пульсара, т) - угол наклона магнитной оси к оси вращения пульсара, (

Рис. 2: Схема построения профилей излучения пульсаров для параметров индикатрисы 3 - 0.9, а =30°, А =30°: а) т\ =30°, б) т) =60°, в) ту =90°. В этом случае траектория джста лежит правее плоскости /Л на .30°.

- угол между лучом зрения и осью вращения пульсара. Показано, что соответствующая подборка параметров позволяет построить профили (см. Рис. 3), наиболее близко совпадающие с наблюдаемыми [9|. Проделанная в ходе

Рис. 3: Идентификация профилей излучения наблюдаемых пульсаров с параметрами а, 0, т), < соответственно: а)25°, 0.99, 12е, 15°; 6)10°, 0.99, 14°, 11°; в)15°, 0.95, 22°, 10°; г)20°, 0.99, 10е, 15°; д)20°, 0.99, 7°, 0°; е)40°, 0.991, 8°, 10°.

исследования идентификация профилей излучения пульсаров в дальнейшем может помочь глубже разобраться с феноменом периодичности для той или иной конфигурации излучения нейтронной звезды.

В Заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты работы

1. Рассмотрена полуклассичсская интерпретация смешанного спинового света, обусловленного интерференцией ноля излучения заряда и его собственного магнитного момента. Это позволило не только установить известное полуклассическос происхождение первых квантовых поправок в мощности синхротронного излучения, связанных со спином и эффектами отдачи при излучении, ио и проанализировать вклад ларморовской и томасовской прецессии спина в полную мощность синхротронного излучения с учетом аномального магнитного момента электрона.

а^РЯ) 2310*41

г)пл 1604-00

2. Рассмотрена проблема классического описания полевого углового момента импульса релятивистского излучения электрического заряда. Проделано релятивистски ковариантное разделение полного углового момента импульса излучения электромагнитного поля на орбитальную и собственную части. Показано, что в отличие от полевого орбитального момента импульса, излучение собственного момента импульса электромагнитного поля связано с прецессией Томаса. Тем самым, впервые обнаружен динамический аспект прецессии Томаса.

3. Установлено, что в ультрарелятивистском пределе полная мощность орбитального углового момента импульса синхротронного излучения значительно превышает соответствующую мощность собственного углового момента импульса излучения электромагнитного поля. В связи с этим более подробно рассмотрены свойства орбитального углового момента импульса синхротронного излучения. Показано, что проинтегрированная по азимутальному углу мгновенная скорость изменения полного орбитального момента СИ совпадает с ее средней величиной за период обращения электрона. Построены соответствующие индикатрисы углового распределения этого излучения.

4. Дана конкретная оценка значений полевого орбитального углового момента импульса синхротронного излучения для параметров типичного современного накопительного кольца электронов с энергией 10 ГэВ и показано, что эта величина на много порядков превышает соответствующее значение для лазера циркулярно-поляризованного света с энергией импульса в 1 Дж.

5. Разработана техника кинематического построения профилей излучения пульсаров для мгновенного излучения кривизны из магнитных полюсов на основе соответствующих индикатрис синхротронного излучения. Построенные таким образом профили являются линией пересечения луча зрения наблюдателя с поверхностью вращающейся вместе с пульсаром индикатрисы мгновенного излучения. Замечательным достоинством данного метода является то, что в нем заложено множество параметров, влияющих на формирование профилей излучения пульсаров - это сферические углы наблюдателя, угловая скорость и период вращения пульсара, угол наклона магнитной оси пульсара и угол наклона луча зрения по отношению к вектору угловой скорости, угол наклона индикатрисы излучения относительно магнитной оси пульсара и угол поворота плоскости симметрии самой индикатрисы, наконец, кинематические характеристики излучающих частиц, такие как векторы скорости и ускорения. Все эти параметры позволяют с высокой степенью

точности воспроизводить профили излучения экспериментально наблюдаемых пульсаров, что и показано на примерах целого ряда конкретных пульсаров.

Работы автора по теме диссертации

[1] Козлов А.В., Немченко Е.А. О полуклассическом происхождении аномального магнитного момента электрона // Вестник Томского государственного педагогического университета. Материалы международной конференции "Квантовая теория поля и гравитация". - 2012. - Вып. 13(128). - С. 89-92.

[2] Бордовицын В.А., Константинова О.А., Немченко Е.А. Угловой момент синхротронного излучения // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55. - №1. - С. 40-46.

[3] Бордовицын В.А., Константинова О.А., Немченко Е.А. Собственный угловой момент релятивистского излучения // Сб. трудов XIII Всероссийской конференции "Наука и образование". — 2009. - С. 151-155.

[4] Bordovitsyn V.A., Nemchenko Е.А. Thomas precession as a source of the electromagnetic angular momentum radiation // Journal of Physics. Conference Series. — 2011. - Vol. 295. -M. - P. 012113.

[5] Bordovitsyn V.A., Nemchenko E.A. Force-momentum radiation from relativistic charged particles // Proceedings of the 14th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics. (Moscow, MSU, 2009). — Singapore : World Scientific, 2010. - P. 437-438.

[6] Бордовицын B.A., Немченко Е.А. Прецессия Томаса и электромагнитный угловой момент излучения релятивистских заряженных частиц со спином // Вестник Томского государственного педагогического университета. Материалы международной конференции "Квантовая теория поля и гравитация". - 2012. - Вып. 13(128). - С. 37-38.

[7] Немченко Е.А. О роли прецессии Томаса в классической теории релятивистского излучения // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. - Т. 54. - №3. - С. 86-88.

[8] Немченко Е.А. Построение и идентификация профилей изгибного излучения пульсаров // Известия высших учебных заведений. Физика. -2009. - Т. 52. - №6. - С. 3-8.

[9] Bordovitsyn V.A., Nemchenko Е.А. Construction of the curvature radiation profiles from pulsars // Proceedings of the 15th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics. (Moscow, MSU, 2011). — Singapore : World Scientific, 2013. - P. 275-276.

[10] Bordovitsyn V.A., Konstantinova O.A., Nemchenko EA. Angular momentum and torque radiated by a relativistic charged spin particle // Journal of Physics. Conference Series. - 2010. - Vol. 236. -№1. - P. 012002.

Тираж 100. Заказ 706. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201453612

Немченко Екатерина Александровна

ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ В ТЕОРИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.02 — теоретическая физика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук Бордовицын В. А.

Томск 2013

Оглавление

Введение 4

1 Специфика релятивистской теории излучения 10

1.1 Острая направленность релятивистского излучения ........................10

1.2 Синхротронный характер ультрарелятивистского излучения ..............13

1.3 Широкий спектральный диапазон и высокочастотный максимум излучения 15

1.4 Полуклассические свойства релятивистского излучения....................17

1.5 Сила радиационного трения и квантовые эффекты в релятивистской теории излучения....................................................................19

1.6 Метод описания ультрарелятивистского излучения Владимирского-Швингера- Джексона..............................................................20

2 Спиновый свет в классической и полуклассической теории релятивистского излучения 25

2.1 Принцип соответствия классической и полуклассической теории релятивистского излучения с учетом спиновых эффектов............. 25

2.2 Свойства спинового света в релятивистской полуклассической теории излучения ...................................... 27

2.3 Взаимосвязь особенностей прецессии спина и свойств спинового света . . 31

2.4 Электромагнитное самодействие электрона с учетом его конвективного поля и поля излучения............................. 34

3 Классическая теория углового момента релятивистского излучения и ее применения 37

3.1 Проблема инвариантного разделения орбитального и собственного угловых моментов импульса электромагнитного ноля.............. 38

3.2 Интегральные характеристики углового момента излучения произвольно движущегося релятивистского заряда..................... 41

3.3 Прецессия Томаса как источник излучения электромагнитного углового момента............................................................................42

3.4 Свойства орбитального и собственного угловых моментов СИ..............45

3.4.1 Интегральные характеристики УМЭП СИ............................45

3.4.2 Свойства мгновенного излучения орбитального УМЭП СИ .... 46

3.4.3 Усредненный но периоду обращения электрона орбитальный УМЭП СИ и его характеристики ..........................................50

3.4.4 Эффективность возможных применений излучения УМЭП СИ . . 52

4 Построение и идентификация профилей изгибного излучения пульсаров 55

4.1 Основные механизмы направленного излучения пульсаров..................55

4.2 Техника построения профилей излучения релятивистских заряженных частиц..............................................................................56

4.2.1 Система координат пульсар-наблюдатель ............................58

4.2.2 Построение профилей изгибного излучения..........................62

4.2.3 Сравнение некоторых профилей с экспериментальными............63

Заключение 74

А Приложения 77

A. Методы ковариантного интегрирования углового распределения............77

Б. Дифференцирование функций с запаздывающим во времени аргументом . 80

B. Ковариантный элемент замкнутой гиперповерхности..........................83

Г. Прецессии Лармора и Томаса в смешанной системе координат................87

Д. Ковариантное разделение прецессии спина на Ларморовскую и Томасов-

скую прецессии....................................................................90

а. Феноменологическое разделение ............................................90

б. Вывод прецессии Лармора и прецессии Томаса из преобразований Ло-

ренца ......................................................................92

Е. Вывод формулы Манчестера и Тейлора для позиционного угла наблюдения

пульсаров..........................................................................94

Литература 95

Введение

Теория электромагнитного излучения релятивистских частиц представляет собой крупный раздел современной классической и квантовой электродинамики с многочисленными применениями в области физики элементарных частиц, ядерной физики, физики твердого тела, физики синхротронного и космического излучения [1—15]. Возможно, что в связи с этим исследования излучения релятивистских частиц в настоящее время все более смещаются в область инженерных и технических приложений теории, в которых уже накоплен большой практический опыт. К сожалению, сейчас новым чисто теоретическим и фундаментальным исследованиям релятивистского излучения стало уделяться меньше внимания. И это несмотря на то, что целый ряд вопросов теории релятивистского излучения и связанных с ним процессов нуждается еще в более глубоком физическом осмыслении, а некоторые проблемы этого излучения, как следует, даже и не рассматривались.

Речь идет о проблемах физической интерпретации целого ряда эффектов в теории релятивистского излучения, таких как спиновый свет [16-20] в линейном по постоянной Планка приближении, роли специфики прецессии спина в теории излучения и, в частности, ларморовской и томасовской прецессии, их вкладе в полную мощность излучения заряда, а также в полную мощность самого углового момента излучения. Кстати, теория излучения углового момента электромагнитного поля (УМЭП) в таких практически важных областях как синхротронное излучение вообще не рассматривалась. По-видимому, это связано в первую очередь с тем, что основы описания УМЭП после открытия А.И.Садовского [21] и экспериментального подтверждения его Р.Бесом [22] в США и А.Холборном [23] в Англии еще долгое время вызывали споры и бурные дискуссии среди физиков [24-34]. Самым большим недостатком этих работ является то, что многие авторы ипользовали для описания УМЭП нековариантный подход, т. е. по-существу неправильный метод его описания. В более плодотворном развитии нуждается и проблема применимости релятивистского излучения в космосе, например, для объяснения формы профилей излучения пульсаров. В этом направлении было проделано много интересных исследований (см.[35-44], а также библиографический указатель [45]),

но точные методы теории релятивистского излучения для построения профилей пульсаров, за исключением небольшого числа работ [46-51], почти не использовались.

Данная диссертация посвящена этим малоизученным и во многом даже не рассматривавшимся вопросам физической интерпретации в теории релятивистского излучения, а также некоторым практическим применениям полученных результатов исследований. При этом особое внимание уделяется синхротронному излучению (СИ), как основному направлению в теории релятивистского излучения, и основным свойствам этого излучения, включая излучение УМЭП СИ. Надо сказать, что столь подробное исследование УМЭП СИ, включая его орбитальный и собственный моменты, дается впервые. Тщательному изучению на основе индикатрис углового распределения мощности релятивистского излучения подвергся также вопрос о формировании многочисленных наблюдаемых экспериментально профилей космического радиоизлучения пульсаров.

Таким образом, основными задачами диссертации являются:

- проанализировать вклад ларморовской и томасовской прецессии спина в полную мощность синхротронного излучения с учетом аномального магнитного момента электрона;

- исследовать связь мощности орбитального и собственного полевых моментов излучения с прецессией спина излучающей частицы;

- провести исследование скорости изменения углового момента импульса СИ;

- построить индикатрисы мгновенного и среднего за период угловых распределений синхротронного излучения орбитального углового момента;

- показать, что полная мощность мгновенного орбитального углового момента импульса при интегрировании по азимутальному углу для синхротронного излучения совпадает со средней за период мощностью этого излучения;

- сделать численную оценку значений полевого орбитального углового момента синхротронного излучения для параметров типичного современного накопительного кольца электронов;

- воспроизвести профили излучения экспериментально наблюдаемых пульсаров, используя в ходе построения различные параметры, влияющие на формирование профилей излучения этих пульсаров.

Перейдем к краткому описанию содержания диссертации по ее главам.

В первой главе, имеющей вводный характер, основное внимание уделяется общим

свойствам релятивистского, и в особенности, синхротронного излучения. Это связано с тем, что мгновенное излучение любого ультрарелятивистского заряда, движущегося по криволинейной траектории, за исключением гиперболически ускоренного заряда, по своим свойствам совпадает со свойствами синхротронного излучения [9]. Далее дается оценка мощности синхротронного излучения при типичных параметрах ускорителя для одного электрона и для сгустка релятивистских электронов. Приводится оценка спектрального состава непрерывного излучения компактных сгустков электронов и показано, что максимум мощности излучения попадает в гамма-диапазон спектра излучения. В основе всех расчетов лежит релятивистская полуклассическая теория излучения, когда траектория движения заряда рассматривается чисто классически, а процесс излучения рассчитывается с применением законов квантовой электродинамики. Кроме относительной простоты математического формализма данной теории, ее достоинством является и то, что в предельном случае она позволяет получить и дать наглядное физическое объяснение всем известным характеристикам релятивистского синхротронного излучения с учетом квантовых поправок к мощности излучения. Далее рассматривается кинематический метод Владимирского-Швингера-Джексона [52-54] и показано, что он может быть применен также и для исследования спинового света - физического феномена, связанного со спиновыми свойствами излучающей частицы.

Во второй главе особенности полуклассической теории релятивистского излучения используются для более глубокого, по сравнению с квантовой теорией, понимания физической сущности и происхождения квантовых поправок в мощности релятивистского излучения. Здесь установлено, что определяющие вероятность излучения матричные элементы в квантовой теории излучения имеют соответствующие классические аналоги, построенные из фурье-компонент чисто классической теории. Далее исследуются некоторые характеристики спинового света в релятивистской полуклассической теории с помощью разработанного в первой главе метода. Было изучено, как влияют особенности прецессии спина при движении электрона по криволинейной траектории на характеристики излучения, связанные со спином. Общая тенденция проделанных здесь исследований состоит в проверке методов описания квантово-механических систем исходя из их взаимосвязи с классическими аналогами. Так например, в п. 2.5 дано определение эффективной электромагнитной массы электрона на основе электромагнитного поля, созданного электроном в непосредственной близости к заряду [55], с

использованием точных методов чисто классической релятивистской электродинамики.

Полученные в конце второй главы результаты подтверждают правильность наших предпосылок и справедливость принципа соответствия классической и квантовой теории поля. Это открывает новые возможности для применения этих идей при изучении таких эффектов, как электромагнитная масса электрона, ЕШегЬегиедипд и т. Д-

В третьей главе подробно изучены новые свойства орбитального и собственного угловых моментов импульса для наиболее важного в практическом отношении синхро-тронного излучения [56].

В наших исследованиях с самого начала мы придерживаемся ковариантных методов анализа в рамках специальной теории относительности. Наиболее близкими к этому способу описания полевого углового момента является два направления - это метод Иваненко-Соколова [57] и метод Тейтельбойма и др. [58-61].

Полученные нами результаты [62] показали, что оба эти метода, несмотря на все их формальные и чисто внешние различия, полностью совпадают. Этот вывод открывает новое направление в теории релятивистского излучения, связанное с исследованиями углового момента в конкретных практически важных случаях релятивистского излучения.

Также в ходе работы показано, что мощность излучения собственного углового момента импульса электромагнитного поля прямо пропорциональна частоте прецессии Томаса [63-65]. Тем самым впервые установлен динамический аспект происхождения этого явления [66], считавшегося до сих пор чисто кинематическим.

Особое внимание уделяется угловому распределению и мощности орбитального момента импульса синхротронного излучения. Наглядно демонстрируется эффект релятивистской направленности излучения момента импульса и получена скорость изменения углового момента СИ.

В четвертой главе разрабатывается кинематический метод построения профилей излучения пульсаров. Пульсары - это быстро вращающиеся нейтронные звезды, импульсный характер излучения которых объясняется моделью маяка - вращающегося луча, который периодически попадает на наблюдателя [67]. С физической точки зрения пульсары представляют собой уникальные объекты для исследования вещества в экстремальном состоянии сверхбольших плотностей (1014 — 1015 г/см3) и сверхсильных

магнитных полей (1012 — 1015 Гс) [39,68]. За основу построения берется индикатриса углового распределения мощности мгновенного излучения джета, состоящего из произвольно движущихся от магнитных полюсов релятивистских зарядов. Исследуются различные формы профилей в зависимости от разных значений параметров источников излучения и самого пульсара [69]. Показано, что соответствующая подборка параметров позволяет построить профили, наиболее близко совпадающие с наблюдаемыми [70].

Проделанная в ходе исследования идентификация профилей излучения пульсаров в дальнейшем может помочь глубже разобраться с феноменом периодичности для той или иной конфигурации излучения нейтронной звезды.

Диссертация заканчивается заключением, в котором перечислены основные результаты, полученные автором данного исследования.

Система обозначений, а так же те вычисления, которые имеют наиболее громоздкий и трудоемкий характер отнесены в Приложения для того, чтобы более отчетливо представить физический смысл проделанных расчетов.

В конце диссертации имеется список использованной литературы, включая работы самого автора. Результаты исследований опубликованы в статьях [55,56,62-66,6971]. Они докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

1. XIII Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование", 20-24 апреля 2009 г., Томск, ТГПУ.

2. Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, August 19-25, 2009, Moscow, MSU.

3. VIII International Symposium on Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures, September 7-11, 2009, Zvenigorod.

4. XIV Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование", 19-23 апреля 2010 г., Томск, ТГПУ.

5. International Conference QFTG'2010 (Quantum Field Theory and Gravitation), July 5-9, 2010, Tomsk, TSPU.

6. XVIII Международная конференция по использованию синхротронного излуче-

ния "СИ-2010", 19-22 июля 2010 г., Новосибирск, Институт ядерной физики им.

Г. И. Будкера СО РАН Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения.

7. V Международная конференция "Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений", 2-7 августа 2010 г., Петропавловск-Камчатский, Институт космофизических исследований и распространения радиоволн.

8. The 19th International Spin Physics Symposium SPIN 2010, September 27 - October 2, 2010, Germany, Forschungszentrum Juelich.

9. Fifteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, August 18-24, 2011, Moscow, MSU.

10. XIX Международная конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-2012", 25-28 июня 2012 г., Новосибирск, Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения.

11. International Conference QFTG'2012 (Quantum Field Theory and Gravitation), July 31-August 4, 2012, Tomsk, TSPU.

12. 47-я Школа по физике конденсированного состояния "ФКС-2013", 11-16 марта 2013 г., Санкт-Петербург, ПИЯФ.

13. Всероссийская астрономическая конференция "Многоликая Вселенная" (В АК-2013), 23-27 сентября 2013 г., Санкт-Петербург, Park Inn Pulkovskaya.

Диссертация выполнена в Томском государственном университете на кафедре теоретической физики. Она может представлять большой интерес для всех, кто занимается исследованиями в области теории релятивистского излучения и связанных с ними физических эффектов.

1. Специфика релятивистской теории излучения

Вначале рассмотрим некоторые хорошо известные в научной [4,9,72-74], а также учебной литературе [61,75-77] свойства излучения релятивистских заряженных частиц, которые будут использованы в дальнейшем при разработке новых вопросов теории релятивистского излучения, связанных с проблемой спинового света. Вводимая здесь терминология и система обозначений также найдут свое дальнейшее применение при изложении материала диссертации.

1.1. Острая направленность релятивистского излучения

Это свойство можно получить непосредственно из формулы для углового распределения мгновен�