Estructura intrínseca del electrón

Question

El electrón contiene carga negativa finito. Los mismos cargos repelen. ¿Qué hace el electrón estable y por qué no estalló? ¿Es una ley de la naturaleza que la carga del electrón es la carga más pequeño posible que puede existir de forma independiente? ¿Qué es un cargo después de todo? ¿Es como el espacio y tiempo o nosotros podemos explicar en términos de algunas otras cantidades físicas?

Answer 1

Esa es una gran pregunta!

Por desgracia, la única respuesta honesta es "que es lo que podemos ver en la naturaleza, con una gran precisión y completar la reproducibilidad." No hay profundidad en el conocimiento teórico.

La más exótica forma de su pregunta está formulada en términos de la auto-energía de un electrón, y es una pregunta que plagaron el premio Nobel Richard Feynman toda su vida. Él trató de imaginar que el campo que emana de un electrón, simplemente, no era visto por los electrones de la misma, en un poco de la misma manera que una mujer de pie sobre una meseta alta, no puede "ver" a su propia altura, ya que desde donde ella se encuentra todo a su alrededor es plana.

No trabajo. Lo hizo accidentalmente le llevó a algunos métodos para lidiar con el problema que lo llevó a ganar el Premio Nobel, pero sus propias conclusiones, más tarde en la vida era que él y todos los demás tenían bastante de plano no, y que el auto-energía de un electrón era todavía un misterio. Sigue siendo.

Entonces, ¿por qué este problema tan difícil?

Usted lo dijo muy bien en tu pregunta: Si las cargas iguales se repelen, por qué no, un electrón simplemente el golpe en sí, aparte? Después de todo, si usted toma un centenar de pequeños cargados negativamente objeto y tratar de empujar juntos, la necesidad de energía sigue aumentando a medida que los empuja más cerca juntos. Para un punto infinitamente pequeño objeto, como un electrón, que la energía va al infinito! Así, en punto de las partículas y de los cargos que acaba de hacer no juegan bien juntos... sin embargo, la mitad de los cargos en nuestro mundo está compuesto de partículas tales! E incluso los protones tienen su propia versión del problema, porque de los tres puntos de quarks que son delimitador alrededor dentro de ellos.

He aquí una forma un poco distinta a visualizar la auto-problema de la energía. Me gusta porque cuando yo era un niño me gustaba poner mi dedo pulgar sobre el extremo abierto de una manguera de agua para ver qué tan lejos y rápido que pude el agua a chorro.

La analogía funciona así: resulta que usted puede modelar un campo eléctrico notablemente con precisión simplemente imaginando una carga positiva como el extremo de una manguera que se genere un número fijo de litros de agua por segundo en una piscina de agua (espacio). Una carga negativa se convierte entonces en el final de otro tipo de tubo que succiona el agua de la piscina a la misma velocidad. James Clerk Maxwell, uno de los más plano brillante físicos en toda la historia humana, fue una de las primeras personas en darse cuenta de esta analogía. Es por eso que "líneas de fuerza" a veces también se denomina "flujo" (que significa "flujo") de las líneas. Maxwell hizo un buen uso de esta analogía para ayudar a él derivan su famoso las Ecuaciones de Maxwell, por que él era capaz de unificar el magnetismo y la electricidad estática en una sola teoría unificada de las fuerzas. Fue Maxwell quien primero se dio cuenta de lo que es la luz en realidad, mediante la aplicación de su propia teoría.

De vuelta a la auto-problema de la energía: ¿alguna vez has ponga su pulgar sobre un extremo del tubo que quiere vomitar agua a una tasa fija , no importa lo pequeño que la abertura es? Lo que sucede es que el agua se acelera y se convierte en mucho más contundente. Una manguera que suavemente las gotas de agua cuando es la apertura que es de varios centímetros de ancho se convierte en un pequeño, pero increíblemente intenso fuego de la manguera cuando la mayoría de que la apertura está bloqueado. El flujo lento se convierte en un micro-torrent cuya velocidad es tan alta que se cortan en objetos blandos.

Imagen el tamaño de que el extremo de la manguera como el tamaño de un electrón. Si es una gran apertura, no hay problema. Usted obtener el flujo total, sin llegar nunca a velocidades extremas.

Pero lo que si usted comienza a hacer el extremo de la manguera más pequeña y más pequeña? Todavía tiene que producir el mismo número de litros por segundo, por lo que al igual que cuando se coloque el pulgar sobre el extremo de una gran apertura y tratar de bloquear, el flujo de agua se acelera. Los más pequeños de la apertura, la más extrema de la velocidad, por ejemplo, el corte de la toma de corriente de tamaño en la mitad de las causas de la velocidad del agua al doble, por lo que puede mantener el ritmo. Lo mismo es cierto para el electrón, sólo con la "fuerza" del campo en sustitución de la "velocidad" del agua, y con "líneas de campo" sustitución de la trayectoria de flujo del agua.

Así, si se reduce el tamaño del "agujero de salida" (si el final de una manguera o el tamaño de un electrón a un punto, ¿qué sucede?

Fácil: La velocidad tiende a infinito... que por supuesto no puede suceder! Infinito no funciona a la velocidad posible incluso para el agua, la cual está limitada por la velocidad de la luz. Se requeriría energía ilimitada sólo para acercarse a la velocidad de la luz.

La situación no es mejor para el punto-como partículas cargadas, que de igual forma se debe adquirir el campo de densidades (creo velocidad) que el enfoque de infinito. Que en pocas palabras es otra forma de entender un poco más visualmente por qué la auto-energía es tan difícil.

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Así que, con todo lo que dijo, es posible que algún día haya una teoría que verdaderamente explica tales cosas-explica profundamente de ellos, en la que de manera especial la da a la gente la lectura que se enfríe poco "wow, ahora que finalmente lo consigo!" sensación como de todo, finalmente, haga clic juntos?

Así, no ahora. La teoría de cuerdas no importa en realidad con este tipo de problemas, y de hecho podría decirse que hace que tales cuestiones peor ilustrando todo como pequeñas cadenas, cuyo auto-energía es bastante astronómico. Harari-Shupe Rishon teoría es más de una buena organización de la observación de una teoría (creo que de la Tabla Periódica), pero todo lo que hace es hacer que todas las cargas de un tercio que la de un electrón. No sé si Garrett Lisi ha tratado alguna vez de la dirección de la auto-energía, cuestión en la que notable E8 teoría de la suya, pero al menos proporcionar una nueva perspectiva sobre el problema que podría arrojar algo de luz fresca.

Así que, de nuevo: muy buena pregunta, pero, por desgracia, no hay nadie que pueda contestar todavía! Pero quién sabe, alguien que lee esta respuesta puede ser la persona a resolver que uno algún día -- ¿por qué no? Sí, es muy duro problema... pero luego la mayoría de la gente no tiene idea de lo que son capaces realmente de si tienen un don para la física, están realmente interesados, y están dispuestos a trabajar muy duro.

Answer 2

Es una muy buena pregunta. El electrón es descrito por una onda de campo que se asemeja a una distribución de carga, por lo que es natural preguntarse por qué no repeler a sí mismo y se extendió por todas partes.

Sin embargo, la ola no es un clásico de la onda, pero está cuantizada, es decir, la energía en un determinado modo de vibración tiene que venir en paquetes discretos. Uno puede contar cómo muchas de las excitaciones se presente y el número es un número entero N > 0, el número de "partículas" de la actualidad. También, los diferentes modos de vibración se identifican con ímpetu.

Un único electrón del estado es una "superposición" de N=1 excitaciones. La razón principal para superponer que de cualquier modo se extiende en todo el espacio, pero por superponer los modos de los diferentes momentos de una forma un "wavepacket" que se alcanzó un máximo en el centro y luego se cae a cero a mayores distancias, porque los modos de diferentes frecuencias que interfieren destructivamente. El wavepacket se concentra el electrón de carga en un área confinada, y parece que debe repeler a sí mismo y crecer rápidamente más amplio.

Sin embargo, esto no sucede debido a la cuantización y conservación de momento. El campo electromagnético se encarga de llevar la energía de un modo a otro. Uno puede pensar en términos de resonancia: el electrón campo de las vibraciones excitar a un (no resonante) el modo de que el campo electromagnético, que no viaja mucho debido a la falta de resonancia, pero todavía se puede transferir energía de forma permanente a otro campo que es resonante.

Si hay varias excitaciones (N >= 2), entonces el electrón de la frecuencia de vibración es la suma de la modalidad individual frecuencias, y hay muchas maneras diferentes a la suma de dos frecuencias para obtener la misma cosa. En otras palabras, una de dos (o de varios) de las partículas del estado tiene muchas no trivial resonancias con sí mismo y que puede intercambiar impulso entre sus modos, que permiten el paquete a separar y por separado.

Sin embargo, para una N=1 estado, la única resonancia de un modo determinado es con ella misma. El campo electromagnético (o cualquier otro mecanismo) no se puede transferir energía entre los distintos modos, de ahí que se mantengan los mismos, y la sola partícula de estado es estable.

Esto no significa que la sola partícula de estado no se ve afectada! Todavía excita el campo electromagnético y pone un poco de energía, por lo tanto la energía de la vibración electrónica de campo es más grande de lo que ingenuamente aparece porque es karting en torno a los asociados de vibraciones electromagnéticas en todas partes. La energía extra que depende mayormente de la electrónica de la amplitud (no de la frecuencia) y por lo tanto se ve como un cambio en la masa de los electrones, (porque la masa en la teoría cuántica de campos es una medida de cómo la energía depende de la amplitud). Por lo tanto, el campo electromagnético renormalizes la masa de los electrones, pero no es capaz de dividir los electrones en pedazos.

Por supuesto, cuantización, que es la pieza fundamental aquí, sigue siendo una caja negra en esta explicación....pero esperamos que sea mejor que nada!

Answer 3

El electrón es estable (a partir de un QFT POV) porque no hay ninguna partícula con menos energía (en el Modelo Estándar) que puede causar caries a la vez que se preservan todas las conocidas leyes de conservación.

En cuanto a la "explosión" de la parte que la pregunta viene de un punto de vista clásico de la electrónica que no se sostiene ya que sabemos de QM de que los electrones se comportan también como dual onda-partícula entidades. Usted puede convertir electrón de masa en energía y calcular cuál sería el radio de una esfera cargada (o superficie esférica) con cargo total $-|e|$, de modo que se tenga la misma energía, pero que sólo daría un clásico de radio. Cerca y dentro de ese radio que usted necesita QM o QFT para describir el electrón. Y a partir de una QFT punto de vista no hemos visto los electrones se comportan como otra cosa que un punto de partículas (cuando lo observamos como una partícula) no importa qué tan cerca de nosotros "sonda".

Con respecto a lo que cobran es I d describe como un observable, medible y cantidad escalar. (También es conservado debido a que de la U(1) la simetría de E/M.) tal vez no sea la mejor respuesta pero eso es lo que me acerco a esa cuestión.

Answer 4

Si calculamos la energía que se requiere para montar un electrón de una escasa y se distribuye fuera de la nube de carga como e, entonces e es casi igual a la masa de reposo del electrón. (Esto es teniendo en cuenta el experimental, el tamaño de los electrones de la colisión de los experimentos y uniforme de la densidad de carga del electrón). Aunque esta información no explica la estabilidad de los electrones...da alguna imagen, es decir, energía concentrada. El spin y los campos magnéticos pueden ser el enlace principal razón que lleva a la cuántica, la teoría de la onda.