Was ist eigentlich Ladung? Wie kann man es definieren? [geschlossen]

Ladung ist eine grundlegende konservierte Eigenschaft von Teilchen. Sie ist, wenn man so will, ein Maß dafür, wie stark ein Teilchen mit elektromagnetischen Feldern interagiert. Ein geladenes Teilchen kann elektromagnetische Felder erzeugen und von diesen beeinflusst werden. Das meinen wir, wenn wir sagen, dass ein Teilchen eine elektrische Ladung hat. Es könnte hilfreich sein, es sich als eine einfache quantisierte Methode zur Messung der Kopplungsstärke von Teilchen mit der entsprechenden Kraft vorzustellen, da sich das Konzept der Ladung auch auf andere Kräfte erstreckt.

z.B:

elektrische Ladung für elektromagnetische Kraft, Farbladung für starke Kraft usw.

Bitte beachten Sie auch die Antwort von @ JamalS, die die Abstraktion dicker macht und die quantenfeldtheoretischen Ursprünge der elektrischen Ladung zeigt

Ladung ist eine Größe, die sich aus dem Satz von Noether aufgrund kontinuierlicher globaler Symmetrien (bis zu einer Gesamtableitung) einer Lagrange-Funktion ergibt, und als solche haben wir viele Arten von Ladung, außer elektrisch. Betrachten Sie zum Beispiel den Dirac Lagrangeian,

$$\mathcal{L} = \bar{\psi}(i\gamma^{\mu}\partial_{\mu}-m)\psi$$

was Fermionen beschreibt. Es ist invariant durch einen Phasenwechsel, dh$\psi \to e^{-i\alpha}\psi$, die einen erhaltenen Strom hat, nämlich

$$j^{\mu} = \bar{\psi}\gamma^\mu \psi$$

Die aus der Symmetrie resultierende Erhaltungsgröße, dh Noetherladung, ist also das Integral über den ganzen Raum der nullten Komponente

$$Q = \int \mathrm{d}^3 x \, \, \bar{\psi} \gamma^0 \psi = \int \mathrm{d}^3 x \, \, \psi^{\dagger}\psi$$

Die Quantität$Q$ist tatsächlich elektrische Ladung. Darüber hinaus, wenn das Feld$\psi$quantisiert und als ebene Welle mit Operatoren als Fourier-Koeffizienten entwickelt wird, kann gezeigt werden, dass$Q$hat auch die Interpretation der Teilchenzahl für Fermionen. Im klassischen Elektromagnetismus bestimmt die Ladung über die Lorentzkraftbeziehung auch die Größe der Wirkung magnetischer und elektrischer Felder auf geladene Materie,

$$\vec{F} = q\left(\vec{E}+ \vec{v} \times \vec{B}\right)$$

Die Elementarladung$e$spielt auch die Rolle der Kopplungskonstante in der Quantenelektrodynamik, die grob die Stärke eines Wechselwirkungsterms bestimmt, nämlich

$$\mathcal{L}_{\mathrm{int}} \sim e \bar{\psi}\gamma^\mu A_\mu \psi$$

entspricht einem Wechselwirkungsknoten, an dem ein Photon, ein Positron und ein Elektron beteiligt sind. Außerdem die Kupplung$e$hängt tatsächlich von einer Skala ab, die von der Beta-Funktion vorgegeben wird (auf eine Schleifenreihenfolge),

$$\beta (e) = \frac{e^3}{12\pi^2}$$

Also die Idee, dass es eine einzige gibt$e$ist falsch; Aus der Beta-Funktion können wir unter der Annahme, dass keine zusätzlichen Korrekturen ihre Natur ändern, ableiten, dass die Kopplung mit zunehmender Energieskala zunimmt.