Warum kann das Photon im Weltraum oder im Vakuum kein Elektron und Positron erzeugen?

Sie können nicht gleichzeitig Energie und linearen Impuls erhalten.

Lassen Sie das Photon Energie haben$E_{\gamma} = p_{\gamma} c$und das Elektron hat Energie$E_{-}^{2} = p_{e}^{2}c^2 + m_{e}^{2}c^4$und ein analoger Ausdruck für das Positron. Angenommen, das Elektron und das Positron entfernen sich in einem Winkel von der Wechselwirkungsstelle$2\theta$zwischen ihnen.

Energieerhaltung.

Jetzt bleibt der lineare Impuls in der ursprünglichen Richtung des Photons erhalten.

Gleichsetzen dieser beiden Ausdrücke für den Photonenimpuls, den wir haben

Nehmen wir an, dass das Photon ein Paar massiver Teilchen erzeugt hat. Es muss ein Bezugssystem ("Schwerpunkt") existieren, in dem der Gesamtimpuls der beiden Teilchen Null ist. Aufgrund der Impulserhaltung musste das Photon im selben Rahmen den Impuls Null haben. Aber Photon kann keinen Impuls Null haben, denn dann hätte es Null Energie. Der Impuls bleibt also nicht im Massenzentrumsrahmen erhalten und ist aufgrund der Lorentz-Invarianz nicht in allen Rahmen erhalten. Daher ist der Prozess unmöglich.

Im Prinzip könnte man die Materieentstehung im Vakuum beobachten:

https://en.wikipedia.org/wiki/Schwinger_limit

Und es werden Hochleistungslaser gebaut, um dies in Experimenten zu zeigen:

https://eli-laser.eu/science-applications/high-fields-physics/

Die Unschärferelation ist eine Ungleichung, so dass der Impuls mal c mal Kosinus, was Energie ist, gleich der Energie des Impulses und der Ruhemasse des kombinierten Elektrons und Positrons gemacht werden kann. Energie- und Impulserhaltung wird unter Verwendung der Unschärferelation erfüllt.

Dieser Vorgang im Vakuum kann nicht direkt gemessen werden, im Gegensatz zu realen Messungen von Teilchen an der Massehülle, wie Ihr Beispiel zeigt. Zeigen Sie mir, dass Ihr Prozess im Vakuum verfolgt werden kann. Sehen Sie sich gemäß Ihrer Antwort die endgültige Gleichung an. Da Prozesse im Vakuum nicht nachvollziehbar sind, sollte die Gleichung lauten$2\Delta Pc^2\cos^2$größer als oder gleich wie$[\hbar/2\Delta t]^2$.$2\Delta Pc^2 = (Energy)^2$was zur Gleichheit führt$\cos^2 = 1. A$Photon, das zu einem Elektron-Positron-Zustand führt, gebunden werden kann$l=0, s=1$und hat eine ungerade Ladungskonjugationsparität. Die Ladungskonjugation eines Photons beträgt -1 n Photonen mit$n = 1, 3, 5,..... = -1$ist ungerade. Lassen$n = 1$Photon. Dies ist eine fundamentale Symmetrie.

Das Unbestimmtheitsprinzip ermöglicht, dass Energie und Impuls kompatibel sind und der Prozess im Vakuum ablaufen kann.