Eigenstruktur des Elektrons

Das ist eine großartige Frage!

Leider ist die einzige ehrliche Antwort "das sehen wir in der Natur, mit großer Präzision und vollständiger Reproduzierbarkeit". Es gibt kein tiefes theoretisches Verständnis.

Die exotischere Form Ihrer Frage wird in Begriffen der Selbstenergie eines Elektrons formuliert, und es ist eine Frage, die den Nobelpreisträger Richard Feynman sein ganzes Leben lang geplagt hat. Er versuchte sich zunächst vorzustellen, dass das Feld, das von einem Elektron ausgeht, vom Elektron selbst einfach nicht gesehen wurde, ähnlich wie eine Frau, die auf einem Hochplateau steht, ihre eigene Größe nicht „sehen“ kann, da von dort aus alles steht um sie herum ist flach.

Es hat nicht funktioniert. Es führte ihn zufällig zu einigen Methoden, um mit dem Problem umzugehen, das ihm diesen Nobelpreis einbrachte, aber seine eigenen Schlussfolgerungen später im Leben waren, dass er und alle anderen ziemlich versagt hatten und dass die Selbstenergie eines Elektrons war noch ein Rätsel. Es ist weiterhin so.

Warum ist dieses Problem so schwer?

Sie haben es in Ihrer Frage ziemlich gut ausgedrückt: Wenn sich gleiche Ladungen abstoßen, warum bläst sich ein Elektron dann nicht einfach auseinander? Wenn Sie schließlich hundert kleine negativ geladene Objekte nehmen und versuchen, sie zusammenzuschieben, steigt der Energiebedarf immer weiter an, je näher Sie sie zusammenschieben. Für ein unendlich kleines Punktobjekt wie ein Elektron geht diese Energie ins Unendliche! Punktteilchen und Ladungen passen also einfach nicht gut zusammen ... und doch besteht die Hälfte der Ladungen in unserer Welt aus genau solchen Teilchen! Und sogar die Protonen haben ihre eigene Version des Problems wegen der drei punktförmigen Quarks, die in ihnen herumhüpfen.

Hier ist eine etwas andere Art, das Selbstenergieproblem zu visualisieren. Ich mag es, weil ich als Kind gerne meinen Daumen über das offene Ende eines Wasserschlauchs gelegt habe, um zu sehen, wie weit und schnell ich das Wasser herausspritzen kann.

Die Analogie funktioniert wie folgt: Es stellt sich heraus, dass Sie ein elektrisches Feld bemerkenswert genau modellieren können, indem Sie sich einfach eine positive Ladung als Ende eines Schlauchs vorstellen, der eine feste Anzahl von Litern Wasser pro Sekunde in ein Wasserbecken (Raum ). Eine negative Ladung wird dann zum Ende eines anderen Schlauchtyps, der mit der gleichen Geschwindigkeit Wasser aus dem Pool ansaugt. James Clerk Maxwell , einer der brillantesten Physiker der Menschheitsgeschichte, war einer der ersten, der diese Analogie bemerkte. Aus diesem Grund werden "Kraftlinien" manchmal auch als "Flusslinien" (was "Fluss" bedeutet) bezeichnet. Maxwell machte sich diese Analogie zunutze, um ihm bei der Ableitung seiner berühmten Maxwell-Gleichungen zu helfen, wodurch es ihm gelang, Magnetismus und statische Elektrizität zu einer einzigen einheitlichen Theorie der Kräfte zu vereinen. Es war Maxwell, der zuerst erkannte, was Licht wirklich ist, indem er seine eigene Theorie anwandte.

Zurück zum Selbstenergie-Problem: Haben Sie schon einmal den Daumen auf ein Rohrende gelegt, das aus einer noch so kleinen Öffnung mit fester Geschwindigkeit Wasser herausspritzen will? Was passiert ist, dass das Wasser schneller wird und viel stärker wird. Ein Schlauch, der sanft Wasser aus einer Öffnung mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern heraustropft, wird zu einem winzigen, aber erstaunlich intensiven Feuerwehrschlauch, wenn der größte Teil dieser Öffnung blockiert ist. Der langsame Fluss wird zu einem Mikrostrom, dessen Geschwindigkeit so hoch ist, dass er in weiche Gegenstände schneidet.

Stellen Sie sich die Größe dieses Schlauchendes als die Größe eines Elektrons vor. Wenn es eine große Eröffnung ist, kein Problem. Du bekommst den vollen Flow, ohne jemals extreme Geschwindigkeiten zu erreichen.

Aber was ist, wenn Sie anfangen, das Ende des Schlauchs immer kleiner zu machen? Es muss immer noch die gleiche Anzahl Liter pro Sekunde produzieren, also wird der Wasserfluss beschleunigt , genau wie wenn Sie Ihren Daumen über das Ende einer großen Öffnung legen und versuchen, sie zu verschließen . Je kleiner die Öffnung, desto extremer die Beschleunigung, z. B. wenn die Auslassgröße halbiert wird, verdoppelt sich die Geschwindigkeit des Wassers, nur damit es mithalten kann. Dasselbe gilt für das Elektron, nur dass die "Stärke" des Feldes die "Geschwindigkeit" des Wassers ersetzt und die "Feldlinien" den Strömungsweg des Wassers ersetzen.

Was passiert also, wenn Sie die Größe des "Ausgangslochs" (ob das Ende eines Schlauchs oder die Größe eines Elektrons) auf einen Punkt verkleinern?

Ganz einfach: Die Geschwindigkeit geht ins Unendliche ... was natürlich nicht passieren kann! Unendliche Geschwindigkeiten sind nicht einmal für Wasser möglich, das durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist. Sie würden unbegrenzte Energie benötigen, nur um sich der Lichtgeschwindigkeit zu nähern.

Die Situation ist nicht besser für punktförmige geladene Teilchen, die ebenfalls Felddichten (denken Sie an Geschwindigkeit) erreichen müssen, die gegen unendlich gehen. Das ist kurz gesagt eine weitere Möglichkeit, etwas visueller zu verstehen, warum die Selbstenergie so hart ist.

Nach allem, was gesagt wurde, ist es also möglich, dass es eines Tages eine Theorie geben wird, die solche Dinge wirklich erklärt – sie tiefgehend erklärt, auf diese besondere Weise, die den Leuten, die sie lesen, dieses coole kleine „Wow, jetzt verstehe ich es endlich! “ gibt. das Gefühl, dass endlich alles zusammenpasst?

Nun, nicht jetzt. Die Stringtheorie kümmert sich nicht wirklich um solche Probleme und verschlimmert solche Probleme tatsächlich, indem sie sich alles als winzige Strings vorstellt, deren Eigenenergie ziemlich astronomisch ist. Die Harari-Shupe-Rishon-Theorie ist eher eine nette organisatorische Beobachtung als eine Theorie (denken Sie an das Periodensystem), aber alles, was sie tut, ist, dass alle Punktladungen ein Drittel der eines Elektrons betragen. Ich weiß nicht, ob Garrett Lisi jemals versucht hat, das Problem der Selbstenergie in seiner bemerkenswerten E8 - Theorie anzusprechen, aber es würde zumindest einen neuen Blickwinkel auf das Problem liefern, der ein neues Licht darauf werfen könnte.

Also noch einmal: Tolle Frage, aber leider kann sie noch niemand beantworten! Aber wer weiß, jemand, der diese Antwort liest, könnte die Person sein, die diese eines Tages löst – warum nicht? Ja, es ist ein sehr schwieriges Problem ... aber die meisten Leute haben keine Ahnung, wozu sie wirklich fähig sind, wenn sie ein Händchen für Physik haben, wirklich interessiert sind und bereit sind, hart daran zu arbeiten.

Das Elektron ist stabil (aus einem QFT-POV), weil es kein Teilchen mit weniger Energie (im Standardmodell) gibt, in das es zerfallen kann, während gleichzeitig alle bekannten Erhaltungssätze erhalten bleiben.

Was den "Burst"-Teil betrifft, kommt diese Frage aus einer klassischen Sichtweise des Elektrons, die nicht zutrifft, da wir aus der QM wissen, dass sich Elektronen auch wie duale Wellen-Partikel-Einheiten verhalten. Sie könnten die Masse des Elektrons in Energie umwandeln und berechnen, was der Radius einer geladenen Kugel (oder sphärischen Oberfläche) mit Gesamtladung wäre$-|e|$so dass sie die gleiche Energie hätten, aber das würde nur einen klassischen Radius ergeben. In der Nähe und innerhalb dieses Radius benötigen Sie QM oder QFT, um das Elektron zu beschreiben. Und aus QFT-Sicht haben wir nicht gesehen, dass sich das Elektron wie etwas anderes als ein Punktteilchen verhält (wenn wir es als Teilchen betrachten), egal wie nahe wir es „untersuchen“.

Was Ladung ist, würde ich als beobachtbare, messbare und skalare Größe beschreiben. (Es ist auch wegen der U (1) -Symmetrie von E / M erhalten.) Vielleicht nicht die beste Antwort, aber so gehe ich an dieses Problem heran.

Wenn wir die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einer dünn ausgebreiteten Ladungswolke zusammenzusetzen, als e berechnen, dann ist e fast gleich der Ruhemasse des Elektrons. (Dies berücksichtigt die experimentelle Größe des Elektrons aus Stoßexperimenten und eine gleichmäßige Ladungsdichte im Elektron). Obwohl diese Informationen nicht die Stabilität des Elektrons erklären ... gibt es ein gewisses Bild, dh es ist konzentrierte Energie. Der Spin und die Magnetfelder können der primäre Bindungsgrund sein - was zur Quantenwellentheorie führt.