Könnte es theoretisch verschiedene Arten von Protonen und Elektronen geben?

Dein Freund hat Recht: Es gibt nur eine Art von Protonen.

Das Proton ist das leichteste Baryon. Es hat Ladung$+1$, drehen$1/2$, und Baryonenzahl$+1$.

Diese drei Quantenzahlen sind so grundlegend, dass das Ergebnis kein Proton sein wird, wenn Sie versuchen, eine davon zu ändern. Zum Beispiel, wenn Sie die Gebühr auf ändern$0$, erhalten Sie das Neutron, und wenn Sie den Spin auf ändern$3/2$, du bekommst die$\Delta^+$baryon. Wenn Sie die Baryonenzahl auf ändern$-1$(und ändere auch den Spin auf$3/2$), können Sie ein Anti-$\Delta^-$baryon.

Wir könnten alle diese Teilchen angeregte Zustände des Protons nennen, aber das wäre nicht sinnvoll, weil sie sich so unterschiedlich verhalten: Die unterschiedlichen Quantenzahlen ändern drastisch, an welchen Prozessen sie teilnehmen können$\Delta^+$kann in Pionen und Nukleonen zerfallen, und die Anti-$\Delta^-$mit normaler Materie vernichten kann und so weiter.

Das vielleicht wichtigste Merkmal ist, dass das Proton stabil ist, weil es nichts Leichteres gibt, in das es zerfallen könnte. Dies ist eine äußerst wichtige Eigenschaft (deshalb befinden sich Protonen in Kernen und nicht, sagen wir,$\Delta$Baryonen), und keiner der anderen oben genannten Baryonen teilt es, daher ist es sinnvoll, "Proton" das einzigartig leichteste, stabile Baryon zu bezeichnen.

Der Fall des Elektrons ist einfacher. Es ist ein fundamentales Teilchen, also kann es per Definition keine angeregten Zustände haben. Das, was dem Elektron am nächsten kommt, ist ein Myon, aber dieses Teilchen ist so anders, dass es in keiner Weise eine „andere Art von Elektron“ ist, wie ich hier zeige .

Es ist eine experimentelle Tatsache, dass alle Elektronen und auch alle Protonen (das gilt aber oft auch für Kerne, Atome und sogar Moleküle) nicht voneinander zu unterscheiden sind, dh beide identische Teilchen sind .

Stellen Sie sich vor, Sie führen folgendes Experiment durch: Sie nehmen zwei Objekte A und B, führen beliebig viele Messungen an ihnen durch, legen sie in eine "Black Box", schütteln die Box und nehmen sie dann heraus. An diesem Punkt möchten Sie in der Lage sein, zu erkennen, welches Objekt A und welches B ist.

Nehmen wir an, A und B sind zwei … Äpfel. Sie können dann ihre Masse, ihr Volumen messen, sie fotografieren usw.: Sie erhalten unterschiedliche Ergebnisse (unter Berücksichtigung experimenteller Fehler). Das einzige, was Sie tun müssen, ist, diese Ergebnisse zu notieren, und Sie werden erkennen können, was A und was B ist.

Wenn Sie jedoch versuchen, dasselbe mit zwei Elektronen zu tun, werden Sie feststellen, dass alle Größen, die Sie messen können (Masse, Ladung, Spin usw.), innerhalb des experimentellen Fehlers identisch sind . Daher werden Sie nicht in der Lage sein, ein Elektron vom anderen zu unterscheiden.

Dies ist eine experimentelle Tatsache, und soweit ich weiß, gibt es keinen theoretischen Grund, warum dies so sein sollte. Vielleicht können wir eines Tages genauere Messungen durchführen und entdecken, dass Elektronenladungen tatsächlich geringfügig voneinander abweichen!

PS Ich möchte betonen, dass es sinnlos ist zu sagen, dass Protonen identisch sind, weil sie aus identischen Quarks bestehen, weil dies das Problem nur vom Proton auf die Quarks verlagert (man könnte dann fragen „warum sind alle Quarks identisch?“).

Der Schlüssel zur Antwort ist Beobachtung. Wir haben schon viele kleine und große Dinge beobachtet, die miteinander interagieren.

Eine unwissenschaftliche Antwort wäre: Es könnte eine Vielzahl von Subtypen eines Protons geben, aber wir haben einfach noch nicht die Experimente erfunden, die diese subtilen Unterschiede zeigen.

Die wissenschaftliche Antwort lautet NEIN . Nach Occams Rasiermesser : Wenn wir ein Teilchen finden, das immer und in jedem Experiment auf die gleiche Weise interagiert, dann können wir es sicher einfach ein Proton nennen. Das ist es. Zeitraum. Die wissenschaftliche Methode besteht darin, immer die einfachste Theorie zu verwenden. Wenn Sie eine kompliziertere Theorie verwenden, nenne ich sie persönlich "unwissenschaftliche Methode". Das bedeutet nicht, dass Sie unbedingt falsch liegen; aber Ihrer Theorie mangelt es sicherlich an Eleganz. Das klassische Argument ist Carl Sagans Geschichte „ Der Drache in meiner Garage “.

Fast keine der anderen Antworten, so gut sie auch sind, enthält einen Verweis auf massivere Versionen der Quarks und Elektronen.

Könnte es theoretisch unterschiedliche Arten von Protonen und Elektronen geben?

Unten ist ein Diagramm des Standardmodells, nach dem der Beitrag implizit auch fragt. Das Diagramm lässt die Anti-Protonen (eigentlich Anti-Quarks) und Anti-Elektronen aus, die mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen zu ihren ansonsten gewöhnlichen Materie-"Zwillingen" existieren.

Oben und Unten sind die leichtesten Sorten von Quarks. Etwas schwerer sind ein zweites Quarkpaar, charm (c) und strange (s), mit Ladungen von +2/3e bzw. −1/3e. Ein drittes, noch schwereres Quarkpaar besteht aus top und bottom , wiederum mit Ladungen von +2/3e bzw. −1/3e.

Diese schwereren Quarks und ihre Antiquarks verbinden sich mit Up- und Down-Quarks und miteinander, um eine Reihe von Hadronen zu erzeugen, von denen jedes schwerer ist als das Basisproton. Zum Beispiel das Teilchen namens$\lambda$ist ein aus u-, d- und s-Quarks aufgebautes Baryon; es ist also dem Neutron ähnlich , aber mit einem d-Quark, das durch ein s-Quark ersetzt wird.

Das Proton wird aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark gebildet. Aber ein Teilchen aus Top- und Bottom-Quarks, das das Analogon eines Protons in der dritten Generation von Quarks wäre, kann nicht gebildet werden. Der Grund dafür ist, dass das Top-Quark so schwer ist, dass es durch schwache Wechselwirkungen viel schneller zu einem Bottom-Quark zerfällt, als es ein (selbst extrem kurzlebiges) protonenähnliches Teilchen bilden kann.

Es mag Ihnen zunächst nicht auffallen, wenn Sie sich diese Liste ansehen, aber es gibt 2 weitere Versionen des Elektrons und 2 weitere Versionen von jedem Quark. Der Grund, warum wir sie im normalen Leben nicht sehen, ist, dass sie massiver sind als die Standard-Quarks und -Elektronen. Wenn sie also bei hochenergetischen Kollisionen wie am LHC erzeugt werden, zerfallen sie schnell (d.h. sie haben eine sehr kurze Lebensdauer). Die besonders kurzlebigen Teilchen sind das Myon und das Tau, und die zusätzlichen Quarks sind die Strange, Charm, Top und Bottom.

Äpfel ist eine Kategorie. Partikel ist auch eine Kategorie. Golden Delicious und Pink Lady sind spezifische, einzigartige Arten von Elementen in dieser Apfelkategorie . Wenn eine Pink Lady anders wäre, hätten wir sie anders genannt. Der Name Pink Lady ist viel enger und wird nur Äpfeln mit genau diesen Merkmalen gegeben.

Protonen , Elektronen usw. sind einzigartige Arten von Elementen in der Kategorie der Teilchen . Die einzigartigen Merkmale in Protonen erhalten den Namen oder werden als "Protonen" definiert .

Wenn die Eigenschaften anders wären, hätte es einen anderen Namen bekommen. Vielleicht immer noch in der Kategorie Partikel , aber anders als das Proton , da wir nur einen sehr spezifischen Satz von Merkmalen definiert haben, die als Protonen bezeichnet werden .

Lassen Sie sich nicht davon verwirren, dass es „nur eine Art“ von etwas gibt. Das bedeutet nur, dass der spezifische Name / Begriff, über den Sie sprechen - wie das Proton - nur sehr spezifisch / einzigartig definiert ist.

Ein Proton besteht aus 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark. Diese Quarks müssen eine der Farben der Quantenchromodynamik (rot, grün oder blau) haben. Dies führt zu einer konstanten Ladung über alle beobachteten Protonen. Von diesem Punkt ausgehend, welche Eigenschaft eines Protons würden Sie vorschlagen, dass wir sie modifizieren und immer noch ein Proton nennen sollten? Und was ist mit diesem Teilchen, das immer noch hauptsächlich als Proton fungieren würde, um als eine Art Proton bezeichnet zu werden, mit einer geringfügigen Abweichung in der resultierenden Physik?

Leider gibt es im aktuellen Standardmodell nichts, was darauf hindeutet, dass es verschiedene Arten von Protonen gibt.

Ein Elementarteilchen wird durch Quantenzahlen definiert. Wenn zwei Teilchen identische Quantenzahlen haben, bedeutet dies, dass es keine Unterscheidungsmerkmale gibt, die sie voneinander trennen. Dies bedeutet, dass die elektrische Ladung gleich ist, die Isospin-Zahl gleich ist, andere Eichladungen (Farbe usw.) gleich sind und der kompliziertere Masseneigenwert gleich ist.

Stellen wir uns eine Situation vor, in der es zwei verschiedene Arten von Protonen geben könnte, und sehen wir informell, wohin uns das führt. Im Multiversum haben wir verschiedene Kosmologien mit unterschiedlichem internen Eichfeld und Teilchenstruktur. Betrachten wir eine vermeintliche Kosmologie mit denselben Elementarteilchen. Doch weil Eichladungen und der Rest anders sind, ein Proton oder wirklich Quarks usw., und vielleicht haben Leptonen wie Elektronen unterschiedliche Massen. In einer Multiversum-Situation könnten wir dann versucht sein zu sagen, dass es verschiedene Protonen gibt!

Ich mag Feynmans ursprüngliche Idee des Pfadintegrals, wonach sich ein Elektron auf einem Pfad befindet, der im Zickzack verläuft und sowohl durch den Raum als auch in der Zeit hin und her schwirrt. Das bedeutet, dass alle Elektronen und Positronen das gleiche Teilchen sind! Grundsätzlich gibt es im gesamten Universum nur ein Elektron. Wir könnten uns vorstellen, dass die enorme Vielzahl von Elektronen durch das Auftreten des kosmischen Teilchenhorizonts an Ort und Stelle eingefroren wurde, und das Erscheinen vieler von ihnen ist eine Art holografische Illusion. Im Fall des Multiversums hätten wir dann einen Partikelzustands-Zip-Zapping über verschiedene Kosmologien, und daher sind verschiedene Protonen in anderen Universen genau das gleiche Proton wie Protonen hier. Wir könnten uns Teilchen in anderen Kosmologien so vorstellen, als hätten sie eine renormierte Masse, so wie ein Elektron eine Massenrenormierung erfährt, wenn es einen Kristall aus kondensierter Materie passiert. Das unterschiedliche Vakuum verschiedener Welten wäre analog dazu, das Elektron in Kristalle zu stecken, die die Elektronenmasse renormieren. Wir könnten also Schwierigkeiten haben, mit Sicherheit zu sagen, dass Protonen in irgendeiner grundlegenden Weise unterschiedlich sein können, zumindest bis die Theorie und noch besser die Messung diese Feynman-Idee falsifiziert.

In der Multiversum-Umgebung haben wir auch das Problem, dass wir vielleicht nie in der Lage sein werden, in eine andere Kosmologie zu gehen und diesen Vergleich anzustellen. Vielleicht kann in der Einstellung Susskind et al. ER = EPR der Vergleich im Inneren eines Schwarzen Lochs durchgeführt werden. Dort ist ein Schwarzes Loch eine Art nicht passierbares Wurmloch mit der Einstein-Rosen-Brücke, die zwei verschiedene Welten verbindet. Susskind treibt dies weiter voran, um es mit vielen Welten in einer Art Wurmloch-„Oktopus“ zu verbinden, wie er es manchmal nennt.

In der QM gibt es eine Ununterscheidbarkeit von Teilchen mit bosonischer und fermionischer Statistik, die damit einhergeht. Ich würde dann sagen, dass dies ziemlich grundlegend ist, bis das Gegenteil bewiesen wird.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Partikel zu unterscheiden: Sie können entweder einen Unterschied in den intrinsischen physikalischen Eigenschaften der Partikel messen - sagen wir zum Beispiel die Masse - oder die Flugbahn jedes Partikels mit unendlicher Präzision verfolgen.

Da ein Proton immer aus einem d-Quark und zwei u-Quarks besteht, hat jedes Proton die gleiche Masse, Ladung und Spin. Der anderen Möglichkeit widerspricht die Quantenmechanik, insbesondere die Heisenbergsche Unschärferelation .

Dann scheint dein Freund recht zu haben. Da man Protonen nicht unterscheiden kann, kann man sogar sagen, dass jedes einzelne Proton im Universum gleich ist!

Sie streiten nur über Semantik. Ihr Freund hat Recht, weil es keine Möglichkeit gibt, ein Proton von einem anderen zu unterscheiden. Sie haben Recht, denn wir könnten eines Tages einen Weg finden, ein Proton von einem anderen zu unterscheiden. Sie beide scheinen sich darüber zu streiten, welche Worte wir für die zwei verschiedenen Arten von Protonen verwenden würden, die wir eines Tages unterscheiden könnten.

wir könnten sie beide Protonen nennen (zB "dies ist ein Proton vom Typ 1 und das ist ein Proton vom Typ 2"). oder wir könnten einen neuen Namen für einen von ihnen finden (z. B. "das ist ein Proton und das ist ein Experton, das genau wie ein Proton ist, außer ..."). In welche Richtung sich die Sprache entwickelt, hat wahrscheinlich damit zu tun, wie häufig die beiden verschiedenen Arten von Protonen vorkommen. Wenn alle Protonen auf der Erde Typ-1-Protonen sind, dann werden wir den Typ-2-Protonen wahrscheinlich einen neuen Namen geben, aber wenn die Erde sowohl Typ-1- als auch Typ-2-Protonen in gleichen Mengen hat, dann werden sie wahrscheinlich beide weiterhin Protonen genannt werden. Man könnte sagen, dass wir genau diese Wahl treffen mussten, als wir Antiprotonen entdeckten. Anscheinend haben wir uns entschieden, den Teilchen einen neuen Namen zu geben, weil alle Protonen auf der Erde vom Typ 1 (Protonen) und nicht vom Typ 2 (Antiprotonen) sind.

Es gibt tatsächlich 2 Arten von Protonen - Protonen und Anti-Protonen. Sie interagieren und verhalten sich genau gleich und sind völlig ununterscheidbar. Bei Kontakt vernichten sie sich jedoch gegenseitig.

Ansonsten beziehen Sie sich auf die anderen Antworten hier. Wenn ein Teilchen wie ein Proton aussieht, sich wie ein Proton verhält, wie ein Proton reagiert – dann ist es ein Proton. Wenn Sie ein Teilchen haben, das einige Ähnlichkeiten mit einem Proton aufweist (z. B. ein zuvor unbekanntes stabiles Hadron, das eine positive Ladung hat); aber in gewisser Weise anders ist - Masse, Ladungsmenge usw. ... nun, dann wird es nicht als Proton bezeichnet, sondern als etwas anderes.

Ich glaube, Sie streiten über Semantik. Um dies zu verdeutlichen, nehmen wir an, es gibt nur 200 Arten von "Partikeln", von denen jedes einen einzigartigen Satz von Eigenschaften hat. Sobald wir jedem einen Namen gegeben haben, kann es kein „Gleiches“ mehr mit einem anderen Namen geben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Nummer 12 auf dieser Liste "Elektron" und Nummer 125 "Proton" nennen, dann muss jedes Teilchen, das die Eigenschaften von # 13 erfüllt, ein Elektron sein , und diejenigen, die die Eigenschaften von # erfüllen 125 müssen Protonen sein . Da es nur 200 Teilchen gibt, wenn ein gegebenes Teilchen nicht die Eigenschaften eines Elektrons (12) oder eines Protons (125) hat,auf der Liste (Neutron, Positron, Neutrino usw.).