Dlaczego elektron jest naładowany ujemnie i jaka jest różnica między ładunkiem ujemnym a dodatnim?

W kwantowej teorii cząstek elementarnych (w sensie nieredukowalnej reprezentacji grupy Poincarea o masie $ m $ i spinie (helikalności) $ s $) jeśli jakiś operator $ \ hat {Q} $ wewnętrznej symetrii dojeżdża (jak ładunek elektryczny) z hamiltonianem $ \ hat {H} $ danej teorii pola, musi istnieć $$ [\ hat {Q}, \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} _ {A} (\ mathbf p)] | \ rangle = q_ {A} \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} _ {A} (\ mathbf p), \ quad [\ hat {Q}, \ hat {\ varphi} _ {A} (\ mathbf p)] | \ rangle = -q_ {A} \ hat {\ varphi} _ {A} (\ mathbf p). $$ Tutaj $ \ hat {\ varphi} ^ {\ dagger} (x) $ to pole, które tworzy cząsteczki, podczas gdy $ \ hat {\ varphi} (x) $ jest polem, które tworzy antycząstki.

Widzisz więc dwa fakty: cząstka ma ładunek równy ładunkowi odpowiadającej jej antycząstki ze znakiem minus; ustawienie znaku ładunku cząstki jest formalne. Ładunek pozytonu możemy ustawić jako ujemny, fizyka się nie zmienia.

Opłata jest tylko miarą interakcji. Zobaczmy to na prostym przykładzie.

Wiemy, że istnieje interakcja między dwoma elektronami, której nie można opisać jako grawitacyjne (są odpychane). Wiemy również, że przyciągane są proton i elektron (tego oddziaływania również nie można opisać jako grawitacyjne, ponieważ jest od niego silniejsze). Wtedy wiemy, że to oddziaływanie w najprostszym przypadku odpowiada prawu $ \ frac {1} {r ^ {2}} $, a miara interakcji jest stała w czasie. Musimy zbudować teorię z tymi właściwościami. Ładunek danej cząstki, jako (dla uproszczenia) masa w przypadku oddziaływania grawitacyjnego, mówi nam o jej udziale w oddziaływaniu.

Komentarze

• Kilka miesięcy temu zadałem podobne pytanie, mając nadzieję na wgląd. Wygląda na to, że ' nie mamy " grawitacji-jest-zakrętem-czasoprzestrzeni " wyjaśnienie opłaty jeszcze. Możemy opisać „co”, ale nie „dlaczego”. Świetne ogólne pytanie!
• Twój pierwszy akapit może przestraszyć niektórych czytelników, ale inne są naprawdę dobre.+1
• @Shookster Teoria ogólnej teorii względności jest wyjątkiem w swoim wyglądzie, ponieważ pojawiła się na długo przed pojawieniem się jakichkolwiek danych potwierdzających jej przewidywania. DLACZEGO w fizyce pytania o podstawowe definicje kończą się na postulatach i prawach, które należy przyjąć, aby model matematyczny pasował do istniejących danych i przewidywał nowe obserwacje. Postulaty i prawa zostały wybrane dla modelu matematycznego jako dodatkowe aksjomaty, PONIEWAŻ ograniczają one matematykę do obserwacji i poprawnych prognoz. Jednym z niejawnych postulatów na podstawie danych jest istnienie dwóch przeciwstawnych zarzutów.

Jeśli ponownie oznaczyć wszystkie dodatnie ładunki elektryczne jako ujemne i odwrotnie, zachowując ich wartość bezwzględną, wynikowa fizyka byłaby taka sama. Tak więc dokładny wybór jest jedynie kwestią konwencji.

Ważne jest tylko to, że ładunki elektryczne protonu i elektronu są przeciwne ($ Q_ \ text {proton} = – Q_ \ text {electron} $). Opłata jest addytywna, co oznacza, że jeśli masz jeden system z opłatą Q_1 $ i inny system z opłatą Q_2 $, połączony system ma opłatę Q_1 + Q_2 $ (suma tych opłat).

Ładunek elektronu jest przeciwny do ładunku protonu, więc połączenie równej liczby protonów i elektronów ma całkowity ładunek zerowy, czyli jest elektrycznie obojętne. Jedną z takich kombinacji (do dodatkowych innych cząstek (neutronów)) jest zwykły (niezjonizowany) atom.

pojęcie ładunku elektrycznego zostało wprowadzone w celu wyjaśnienia eksperymentów (pierwotnie z elektryczności statycznej). Stwierdzono, że potrzebne są tylko dwa rodzaje ładunków, a do ich rozróżnienia i rozróżnienia nadaje się etykiety. Najdogodniejsza etykieta jest pozytywna i negatywna (ma to pewne zalety matematyczne). Jest czystą konwencją, że protonom przypisuje się ładunek dodatni, a elektronom – ujemne.

Okazuje się, że wszystkie ładunki tego samego typu odpychają się, podczas gdy ładunki różnych typów przyciągają się.

Wszystkie cząstki wydają się być pogrupowane w dwóch odrębnych polaryzacjach w zależności od sposobu przyciągania lub odpychania. Mówi się, że odpychające się cząstki mają podobne ładunki. Te, które się przyciągają, mają różne opłaty. Bycie ładunkiem dodatnim lub ujemnym jest kwestią konwencji już przyjętej przez światową społeczność naukową.

Ładunek to właściwość posiadana przez ciało, gdy istnieje wewnętrzna nierównowaga liczby cząstek o różnych polaryzacjach w oparciu o przyciąganie lub odpychanie.