Warum existieren Elektronen laut meinem Lehrbuch für immer?

Bedeutet das, dass Elektronen unendlich stabil sind? Die Neutrinos der drei Leptonen haben ebenfalls eine mittlere Lebensdauer von unendlich.

Außerdem gibt es vielleicht nur ein einziges Elektron, das (als Positron) durch die Zeit hin und her reist ;)
Das funktioniert nur bei Pair Production/Anialation-Events, @HagenvonEitzen. Die schwache Interaktion, insbesondere Torpedos, die, wie im Rest der Anekdone erklärt wird, auf die Sie sich beziehen (wie von Feynman über ein Telefongespräch erzählt. Es war nicht seine Vorstellung; solche Behauptungen sind falsch).
Genau deshalb hasse ich Elektronen. "Sie drehen sich ewig weiter". Richtig, sicher, Perpetuum mobile, wie ich das glaube. Elektronen sind böse. Ich denke, sie sind nur erfunden und existieren nicht wirklich, wie Gremlins. Oh, nein, warte, sie drehen sich nicht wirklich, weil sie eigentlich eine Wolke sind, nein, warte, sie sind wirklich Wellen. Es ist nur BS auf BS gestapelt.
@HagenvonEitzen, Positronen reisen nicht rückwärts durch die Zeit. Das tut nur das theoretische Tachyon.
Technisch gesehen zerfallen die Neutrinos kontinuierlich ineinander: en.wikipedia.org/wiki/Neutrino_oscillation

Antworten (4)

Stell dir vor, du bist ein Elektron. Du hast entschieden, dass du lange genug gelebt hast und verfallen möchtest. Welche Möglichkeiten haben Sie hier? Gell-Mann sagte, dass in der Teilchenphysik "alles, was nicht verboten ist, obligatorisch ist". Wenn wir also etwas identifizieren können, in das Sie zerfallen können, sollten Sie das tun.

Wir gehen zu Ihrem eigenen Ruhesystem - jeder Zerfall, den Sie tun können, muss in allen Referenzsystemen auftreten, und es ist am einfachsten / am einschränkendsten, über das Ruhesystem des Elektrons zu sprechen. In diesem Rahmen haben Sie keine kinetische Energie, nur Ruhemassenenergie von etwa 511 keV. Was auch immer Sie zerfallen, es muss weniger Ruhemasse haben - Sie könnten zu einem 300-keV-Teilchen zerfallen und ihm 100 keV kinetische Energie geben, aber Sie können nicht zu einem 600-keV-Teilchen zerfallen. (Es gibt keine Möglichkeit, dies mit kinetischer Energie auszugleichen – keine negative kinetische Energie.) Leider ist jedes andere geladene Lepton und jedes Quark schwerer als dieses. Welche Optionen bleiben uns also? Nun, es gibt masselose Teilchen (Photon, Gluon, Graviton). Es gibt auch die Neutrinos, die alle so nahe an der Masselosigkeit sind, dass es bis vor kurzem dauerte, bis jemand erkannte, dass dies nicht der Fall war. Sie können also vielleicht zu Neutrinos und Kraftträgern zerfallen. Nur dass Sie dann auf ein Problem stoßen: Keines davon hat eine elektrische Ladung, und Ihr Zerfall muss Ladung erhalten. Du steckst fest.

tl;dr: Elektronen sind die leichtesten negativ geladenen Teilchen und können daher nicht in leichtere Teilchen zerfallen, ohne die Ladungserhaltung zu verletzen.

Bravo! Tolle visuelle Laienantwort. Ich habe jedoch eine Frage: Elektronen bewegen sich mit einer unglaublichen (eigentlich unvorhersehbaren ) Geschwindigkeit. Würde das nicht beeinflussen, was daraus werden könnte?
Nein, weil es in allen Frames passieren muss. Wenn ich also mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Elektron mitfahre – wenn ich mich in einem Bezugssystem befinde, in dem sich das Elektron nicht bewegt, dem „Ruhesystem“ – muss es genauso passieren. Ich weiß vielleicht nicht, was dieser Rahmen ist, aber ich weiß, dass er existiert. Aus diesem Grund weiß ich, dass Zerfälle, die ich beobachte, in diesem Ruhesystem auftreten müssen, und kann die Energieeinsparung in diesem Rahmen verwenden, um den Zerfall einzuschränken. (Dies ist beispielsweise bei Kollisionen ganz anders, bei denen das "Ruhesystem" das des Massenzentrums ist, nicht das des einsamen Teilchens.)
Dies setzt natürlich voraus, dass das Elektron isoliert lebt. Wenn es andere Teilchen im Universum gibt, können sie dem Elektron etwas Energie und/oder Ladung geben, wodurch es sich verändern kann.
Wenn wir bedenken, dass das Elektron kein Teilchen ist, sondern wirklich eine Wahrscheinlichkeitsdichte, können wir das nutzen, um die Idee eines Referenzrahmens zu überwinden? Da es in diesem Fall keinen einzelnen Referenzrahmen gibt ... stelle ich mir vor, dass es jeweils eine unendliche Anzahl mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ist.
@Mehrdad es muss in allen Referenzrahmen funktionieren. Wenn Sie also unendlich viele davon berücksichtigen, müssen Sie immer noch den "schlechtesten" berücksichtigen, der keine kinetische Energie hat. Es steht Ihnen frei, Energie von außen aufzunehmen (dh von einem anderen Teilchen mit hoher Geschwindigkeit getroffen zu werden), aber das ist kein Zerfall.
Vielleicht ist das eine dumme Frage, aber gibt es nicht negative Gravitationsenergie? Könnten Sie -89 keV Gravitationsenergie abgeben und zu einem 600-keV-Teilchen zerfallen?
@KonradHöffner Negative Änderungen der Gravitations-PE treten auf, wenn Sie sich auf einen massiven Körper zubewegen. Die Situation, von der Sie sprechen, würde so etwas wie ein Elektron in 100 km Höhe erfordern, das in ein Elektron plus ein weiteres Teilchen in 1 km Höhe "zerfällt". Das ist eine coole Idee, darüber nachzudenken, aber soweit wir wissen, ist die Physik lokal, und wenn ein Teilchen zerfällt, entstehen seine Zerfallsprodukte an derselben Stelle, sodass es nie zu einer Änderung des GPE kommt.
Übrigens: Das totalitäre Prinzip wird normalerweise Gell-Mann zugeschrieben.
@DavidZ Was ist, wenn es einen extrem starken magnetischen Gradienten gibt, wie in der Nähe der Oberfläche eines Neutronensterns? Ein Nanometer reicht also aus, um 89 keV aufzugeben?
@BrianGordon Nach unserem derzeitigen Verständnis kann ein Partikel auf keinen Fall von einem Ort verschwinden und seine Zerfallsprodukte an einem anderen Ort erscheinen, egal wie nahe diese beiden Orte sind.
Elektronen halten also im Grunde ewig?
Oh ja, was ist mit den restlichen Lepton-Neutrinos? Könntest du noch eine Antwort geben?
Elektronen halten ewig, es sei denn, sie treffen auf ein anderes Teilchen. Was die Neutrinos betrifft, denke ich, dass die relevante Größe die Leptonenzahl anstelle der Ladung ist, aber es ist eine seltsamere Frage aufgrund der Neutrinooszillationen, und ich fühle mich nicht wohl dabei, eine feste Antwort darauf zu geben.
Es gibt Kraftträger mit elektrischer Ladung, die W + und W − schwach geladene Bosonen. en.wikipedia.org/wiki/W_and_Z_bosons
Sie sind nicht masselos.
@zeldredge Gut, die Masse war meine Folgefrage :P

Die Aussage gilt für Zerfälle, bei denen Lebensdauern gemessen werden können.

Es gilt jedoch nicht für Interaktionen. Ein selbstmörderisches Elektron, das auf ein Positron trifft, verschwindet mit hoher Wahrscheinlichkeit zusammen mit dem Positron bei niedrigen Energien in zwei Gammastrahlen.

e+e-

Elektron-Positron-Vernichtung

Es ist faszinierend, dass dies für Neutrinos nicht gilt. Wenn ein Elektron-Neutrino auf ein Anti-Elektron- Neutrino trifft, hätte das entsprechende Feynman - Diagramm zwei Z 0 . Da das Z 0 sehr massereich ist, könnte die Vernichtung/das Verschwinden der Neutrinos bei niedrigen Energien nicht stattfinden, im Gegensatz zu dem, was bei Elektron/Positronen passiert.

Zeigt dieses Diagramm nicht ein Elektron, das ein Paar Gammastrahlen aussendet und sich umdreht, um in der Zeit zurückzureisen?
@Mark Wenn Sie die x-Achse als Zeitachse nehmen, ja. mit der y-Achse, der Zeitachse, ist es ein Rezept, um den Querschnitt eines Elektrons und eines Positrons zu erhalten, die sich in zwei Gammas vernichten. Feynman-Diagramme sind ikonische Vorschriften/Abkürzungen für durchzuführende Berechnungen.
Das Elektron wäre nicht selbstmörderisch, wenn es nicht sein ganzes Leben lang negativ gewesen wäre.
Kann ein Teilchenzerfall nicht Zustände mit beliebig hoher Energie (in Form virtueller Teilchen) durchlaufen, solange die endgültige Ansammlung von Teilchen die gleiche Energiemenge wie die anfängliche Ansammlung hat?
@ Tanner Ja. Neutrinos können also theoretisch zu Photonen vernichten. Und schwerere Neutrinos können in leichtere zerfallen. Sie sind einfach so leicht, dass der Zerfall in der Praxis zu lange dauert, um beobachtet zu werden.
@TannerSwett Im Fall von Neutrino-Antineutrino mit niedriger Energie muss sich das virtuelle Z0 mit einem anderen Teilchen verbinden, aber die schwache Kopplungskonstante ist sehr klein und der Querschnitt nicht messbar, aber berechenbar. Die Nullmasse des Photons ist diejenige, die das obige Diagramm auf der Schale ermöglicht (die einzige Off-Schale ist das Elektron zwischen den beiden Eckpunkten).

Das ist nicht ganz richtig. Es wird angenommen, dass die Nettoladung erhalten bleibt, aber es gibt einen schwachen Prozess namens Elektroneneinfang, bei dem ein Elektron von einem Kern eingefangen wird (normalerweise von einem inneren "Orbital", damit es eine spektroskopische Signatur gibt), ein Neutrino emittiert wird und a Proton verwandelt sich in ein Neutron. Also ist Ihr Lehrbuch also falsch!

Vielleicht habe ich "Lebensdauer" falsch angegeben. Ich meine, wenn es nichts stört, wird es eine unendliche Lebensdauer haben?
Nun, es gibt viele Prozesse, die ein Elektron zerstören. Positron-Elektron-Vernichtung wird es auch tun. Dies ist jedoch normalerweise nicht das, was wir mit einem Leben meinen.
Aber ist im Neutron das Elektron nicht sozusagen nur im „Kältespeicher“? Es ist nicht wirklich zerfallen, sondern hat das Neutron aufgebaut, indem es seine Masse und Ladung mit einem Proton kombiniert hat. Durch die schwache Kraft zerfällt das Neutron schließlich und das Elektron macht sich wieder auf den Weg.
@docscience Neutronen in stabilen Kernen sind stabil und zerfallen nicht. Auch Neutronen bestehen nicht aus Elektron und Proton. Das Elektron hat nach dem Einfang wirklich aufgehört zu existieren. Es gibt nichts Besseres als eine „Kältespeicherung“ von Partikeln. Wenn ein Elektron von einem Proton kalturiert wird, gibt es wirklich ein Elektron weniger im Universum. Wenn ein Neutron zerfällt, wird ein neues Elektron geboren.
@mpv Ich bin mit der Tatsache vertraut, dass Neutronen im Inneren des Kerns stabiler sind als die außerhalb (das Experiment zeigt dies), und es gibt Theorien, die vorschlagen, warum dies so ist, aber ich glaube nicht, dass wir in hohem Maße wissen, warum des Vertrauens. Ihre Aussage: "Wenn ein Elektron von einem Proton eingefangen wird, gibt es wirklich ein Elektron weniger im Universum." ist auch ein Vorschlag, oder?
@mpv ... Zeigen Sie mir experimentelle Beweise, die diese Behauptung stark unterstützen. Und vorausgesetzt, Sie könnten das Teilchen irgendwie verfolgen, wie schlagen Sie vor zu testen, ob es ein "neues" Elektron ist, das geboren wird, und nicht nur das gleiche, mit dem Sie begonnen haben? Ist „Kühllager“ nicht genauso gut?
@doc Die Theorien, die erstaunliche Erfolge bei der Vorhersage der Eigenschaften vorhandener Teilchen und der Existenz ursprünglich unbekannter Teilchen hatten, sind in dieser Angelegenheit ziemlich klar: Die mit einem eingefangenen Elektron verbundene Leptonenzahl geht mit dem Neutrino einher und hinterlässt mit dem Neutron null Leptonen. Und obwohl mir keine Neutrino-Beobachtungen im Zusammenhang mit dem Elektroneneinfang bekannt sind, haben wir alle anderen Neutrino-Nukleon-Prozesse. Im Gegensatz dazu würde das Einschließen eines Elektrons in einem Neutron mehr Energie kosten, als zur Verfügung steht. Also nein, "Kühllager" ist keine gute Alternative.
@dmckee Aber es würden keine "Energiekosten" mehr anfallen, sobald der Zustand des Neutrons im Kern erreicht ist. Halten nicht die Kernkräfte selbst den stabileren Gleichgewichtszustand aufrecht, um den Zerfall des Neutrons zu verhindern? Und ist das nicht der Grund, warum, wenn das Neutron aus dem Kern geschlagen wird, seine Lebenserwartung stark verkürzt wird? Welches Experiment kann die Existenz eines stabilen Proton-Elektron-"Systems" innerhalb des Kerns im Vergleich zu einem Neutronen-Grundteilchen widerlegen? Woher wissen wir, dass wir ein anderes Teilchen oder ein System von Teilchen betrachten?
@docscience Sie konzentrieren sich zu sehr auf das "Wie man es widerlegt". Sie müssen zuerst wissen, warum Sie glauben, dass es überhaupt passiert. Wenn Elektronen nur eine Anregung des Elektronenfeldes sind, macht die Frage "ist es das gleiche Elektron" einfach keinen Sinn. Aber ja, ich stelle mir vor, Sie könnten berechnen, wie viel elektromagnetisches Moment das Neutron hätte, wenn das der Fall wäre, und wenn es nicht zu klein ist, um es zu messen, messen Sie es. Aber zuerst müssten Sie zeigen, warum die Quark-Natur von Neutronen eine schlechte Beschreibung ist - die Beweislast liegt auf Ihrer Seite. Worin liegt der Fehler in der Chromodynamik ?
@Luaan Todd Platt veröffentlichte im Oktober 1964 einen ausgezeichneten Leitartikel in Science: „Strong Inference“. Sein Argument im Grunde, dass die Wissenschaft den Ansatz mehrerer Hypothesen annehmen sollte und nicht irgendeine Lieblingshypothese. Außerdem kann man eine Hypothese nie „beweisen“, sondern konkurrierende Hypothesen widerlegen oder falsifizieren. Es ist ein veralteter, aber historischer und fundierter Rat.
@docscience Ich stimme dem voll und ganz zu und es ist die Grundlage des wissenschaftlichen Denkens. Aber Sie sollten trotzdem vernünftige Zweifel überwinden, bevor Sie eine neue Hypothese als Alternative hinzufügen - wenn ich sage, dass Neuronen nicht nur durch elektrische Impulse, sondern auch durch Quantengravitation kommunizieren, ist das eine alternative Hypothese, die Sie widerlegen können, indem Sie schließlich herausfinden, dass nein, es gibt kein Effekt der Quantengravitation. Aber es ist komplexer als die Alternativen, ohne neue Vorhersagen zu machen oder bekannte Diskrepanzen zu erklären. Es ist ein korrekter wissenschaftlicher Ansatz, aber nicht effizient.
@docscience Wie man es widerlegt, sollte immer Teil der wissenschaftlichen Untersuchung sein, und ja, wir haben keine Quellcodes für das Universum, also können wir kein wissenschaftliches Gesetz beweisen, aber das ist nicht der Teil, gegen den ich Einwände habe. Es ist nur so, dass standardmäßig die einfachste Erklärung gewinnt. Wenn Sie eine Erklärung haben, die besser zu den Tatsachen passt, ist das großartig - aber wenn Sie nur eine alternative Erklärung haben, um alternativ zu sein, ohne die Möglichkeit, zwischen den beiden zu unterscheiden, und Ihre ist komplizierter ... warum glauben Sie es an die erste Platz? Es muss doch etwas geben, das dich dazu bringt, es zu glauben, oder?
@Luaan In meinem Fall fehlten für diese spezielle Frage nur ausreichende Informationen. Also habe ich die Frage hier gestellt: physical.stackexchange.com/questions/178865/… Probieren Sie es aus. Es hat wirklich einen Aufruhr ausgelöst. Aber es half, mein Weltbild zu verändern.
@docscience Es ist eine gute Frage und die Antworten sind auch sehr gut. Ich habe nur auf Ihren rationalistischen Fehler hingewiesen, Ihre Hypothese oder QCD nicht genau angegriffen oder unterstützt (genau wie Sie, ich bin kein Teilchenphysiker). Rationale Fehlzündungen wie diese sind nur etwas, was Menschen standardmäßig tun, also ist es notwendig, dagegen anzukämpfen, wo immer wir hingehen :)) Als Programmierer habe ich mir den Lebensratschlag „oft scheitern, schnell scheitern“ zu Herzen genommen – klar, dreißig ausgeben Jahre, um zu beweisen, dass Ihr Fehler wissenschaftlich ist, und die Ergebnisse könnten sehr wichtig sein. Aber was wäre, wenn Sie 30 Jahre früher scheitern könnten?

HyperLuminal fragte:

"Bedeutet das, dass Elektronen unendlich stabil sind?"

Denken Sie an Diracs Modell eines Elektrons, das links- und rechtshändige Beiträge enthält.

Fügen Sie nun die (Nobel-würdige) Brout-Englert-Higgs-Idee hinzu, dass das linkshändige Bit mit einem Kondensat aus schwacher Hyperladung interagiert, während das rechtshändige Bit dies nicht tut.

Dies legt eine einfache Erweiterung des Standardmodells nahe: eine SU(2)-Begrenzung, die in der Lage ist, die linken und rechten Teile eines Fermions zusammenzuhalten. Denken Sie an Quark Confinement, aber in einem kürzeren Bereich.

In Bezug auf " sind Elektronen unendlich stabil? " Wenn solche Fermionenfraktionen assoziiert werden können, hat die Natur möglicherweise einen Prozess, um sie zu dissoziieren ... Gammastrahlenausbrüche?

Für diejenigen, die an sogenannten „WIMP-Wundern“ arbeiten, um dunkle Materie zu erklären, ist es diese Art von elektroschwacher Verbindung, die interessant aussieht; vorelektronische, vorphotonische, massive Vor-Fermionen, die sich zu Dingen entwickeln, die Photonen emittieren (und daher detektiert werden können).

Warum existieren Elektronen laut meinem Lehrbuch für immer?
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