Warum glauben Physiker, dass Teilchen punktförmig sind?

Im Standardmodell (wie in allen traditionellen relativistischen Quantenfeldtheorien) sind Teilchen punktförmig. Alle experimentell verfügbaren Fakten über die Mikrophysik scheinen mit dem Standardmodell konsistent zu sein. Dies ist der (völlig ausreichende) Grund für die Annahme, dass Teilchen in der Natur punktförmig sind.

Punktartig ist ein technischer Begriff, der sich auf die Tatsache bezieht, dass im Standardmodell die Lagrange-Funktion eine Funktion von Feldern am selben Punkt ist (und nicht von Integralen über Feldern in einer kleinen Nachbarschaft dieses Punktes, beschrieben durch Formfaktoren, die die '' Form'' des Teilchens).

Der Hauptgrund, warum viele Physiker dennoch spekulieren, dass Teilchen (bei viel höherer Auflösung) möglicherweise nicht punktförmig sind, ist, dass es keinen bekannten Weg gibt, wie man die Quantenfeldtheorie mit Gravitationskräften in Einklang bringen kann, während die Stringtheorie (bei der Teilchen fadenförmig sind) dies zu tun scheint bieten eine Möglichkeit dazu. Niemand weiß, inwieweit sich diese Spekulationen bewahrheiten werden.

Occams Rasiermesser legt nahe, dass die einfachste Erklärung die wahrscheinlichste ist. Physiker werden davon ausgehen, dass Elementarteilchen punktförmig sind, bis sie Beweise haben, die etwas anderes nahelegen.

Punktartig und Punkt sind völlig unterschiedliche Konzepte. Der Planet Jupiter hat eine Genauigkeit von wahrscheinlich 6 oder mehr Dezimalstellen, wenn man die dynamische Entwicklung des Sonnensystems untersucht. Bedeutet nicht, dass Jupiter ein Punkt ist! Nur weil sich etwas punktuell verhält, heißt das schon immer, dass wir noch nicht genug wissen. Die Stringtheorie ist eine Theorie über eine tiefere Ebene, es gibt andere.

Ich glaube also nicht, dass viele Physiker wirklich denken, dass das Elektron ein Punkt ist. Es ist nur so, dass Sie sich um keine Struktur kümmern müssen, wenn Sie mit schwindelerregenden Energien von 100 GeV oder weniger arbeiten ...

Ihre Frage basiert auf der Annahme, dass das Vakuum leer ist und Materie (einschließlich Partikel) Dinge sind, die wir in das leere Vakuum gelegt haben. Aber der Casimir-Effekt zeigt, dass das Vakuum nicht leer, sondern ein dynamisches Medium ist. Dies führte zu einer Entstehungsperspektive von Elementarteilchen: Sie sind quantisierte kollektive Bewegungen des Vakuummediums.

In einem Ansatz betrachten wir das Vakuum als eine Ansammlung von Qubits. (dh der Raum ist ein Qubit-Ozean.) Wenn diese Qubits eine Fadennetzflüssigkeit bilden, können die quantisierten kollektiven Bewegungen von Qubits Photonen, Elektronen usw. hervorrufen. Elementarteilchen, wie Photonen und Elektronen, sind also nicht elementar in in dem Sinne, dass es zugrunde liegende Theorien wie das Quanten-Qubit-Modell zum Gitter gibt, von denen sie als effektive Näherung abgeleitet werden können (siehe zum Beispiel unser Papier arXiv:hep-th/0302201 ). Unter einem solchen Emergenzbild sehen wir, wenn wir Elementarteilchen genau untersuchen, die Qubits, die den gesamten Raum bilden. Die Frage, ob Elementarteilchen punktförmig sind oder nicht, macht im Emergenzansatz keinen Sinn.

Die String-Net-Kondensation bietet einen einheitlichen Ursprung für Eichwechselwirkungen und Fermi-Statistiken: Sowohl elementare Eichbosonen (wie Photonen, Gluonen) als auch elementare Fermionen (wie Elektronen, Quarks) können als Quasiteilchen in einem Quantenspinmodell auf Gittern entstehen wenn das Quantenspinmodell als Grundzustand einen "String-Net Condensed State" hat. Einen Vergleich zwischen dem String-Net-Ansatz und dem Superstring-Ansatz finden Sie hier .

Es gibt eine falsifizierbare Vorhersage aus der String-Net-Theorie: Alle Fermionen (elementar oder zusammengesetzt) ​​müssen Eichladungen tragen (siehe unser Papier cond-mat/0302460 ). Das Standardmodell enthält zusammengesetzte Fermionen, die für neutral sind$U(1)\times SU(2)\times SU(3)$Eichtheorie. Nach der String-Net-Theorie ist das Standardmodell also unvollständig. Das korrekte Modell sollte eine zusätzliche Eichtheorie enthalten, wie z$Z_2$Eichtheorie. Die String-Net-Theorie sagt also die extra diskrete Eichtheorie und neue kosmische Strings voraus, die mit der neuen diskreten Eichtheorie verbunden sind.

Der Emergenzansatz kann auch (lineare) Quantengravitation aus Quantenspinmodellen erzeugen (siehe unser Papier arXiv:0907.1203 ). Der Emergenz-Ansatz (wie die String-Net-Theorie) scheiterte jedoch bisher daran, die chirale Kopplung zwischen den herzustellen$SU(2)$schwache Wechselwirkung und die Fermionen.

Elementarteilchen haben nicht wirklich eine Form oder Größe, das sind emergente Eigenschaften, die aus Wechselwirkungen zwischen Teilchen entstehen. In der Quantenphysik wird ein Teilchen durch seinen Quantenzustand dargestellt, und wenn Sie das im Raum beschreiben wollen, erhalten Sie eine Wellenfunktion, die uns sagt, wie viel von dem Teilchen an einem bestimmten Punkt im Raum vorhanden ist. Da es keine theoretische Grenze für die Größe des räumlichen Bereichs gibt, in dem die Wellenfunktion nicht Null ist, können Sie dem Partikel keine endliche Größe zuweisen. Man kann sich das Teilchen entweder unendlich klein (dh punktförmig) vorstellen oder einfach sagen, dass der Größenbegriff nicht sehr aussagekräftig ist.

Ich hatte eine Antwort auf die duplizierte Frage vorbereitet .

Es gab mehr Fragen als in der obigen Frage, also antworte ich hier:

Elementarteilchen sind wie mathematische Punkte?

Im Standardmodell der Physik wird davon ausgegangen.

Macht es Sinn in der Quantenmechanik und im Standardmodell so zu denken?

Dies ist die Tabelle der Elementarteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik .

Alle Materie ist aus diesen Teilchen zusammengesetzt, und ja, sie sind als Punktteilchen modelliert. Ja, das mathematische Modell des Standardmodells wurde immer wieder validiert, und seine auf der Quantenmechanik basierenden Vorhersagen haben sich erfüllt, erst mit der Entdeckung des Higgs.

Stimmt es, dass zwei Elementarteilchen ununterscheidbar sind?

Nein, das ist pauschal falsch. Unterschiedliche Arten von Teilchen (Elektronen, Quarks ...) sind durch unterschiedliche Quantenzahlen gekennzeichnet und unterscheidbar.

Die gleiche Art von Elementarteilchen ist experimentell nicht unterscheidbar, zwei Elektronen sind austauschbar, außer durch ihre Quantenzahlen unter bestimmten Randbedingungen. Im Allgemeinen kann man an einem Elementarteilchen keinen Personalausweis anbringen.

Kanonische Partikel besitzen einen tatsächlichen Härteradius, der durch den Compton-Ausdruck bestimmt wird$\lambda_\text{Compton} = \frac{h}{mc}$. Man kann hier mehr darüber lesen http://inerton.wikidot.com/canonical-particle

Warum spekulieren Teilchenphysiker über punktförmige Teilchen? Es scheint mir, dass dies mit ihrer Ausbildung zusammenhängt; Ihre Lehrer haben ihnen nämlich falsche Dinge erzählt und der Realität einen abstrakten Tunnelblick eingepflanzt. Schade, aber das ist die Wahrheit.