Domanda:
Se cariche simili si respingono, perché una carica non si rompe da sola?
Kevin
2016-07-19 16:34:57 UTC
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Come può essere che, se cariche simili si respingono, non si respingono da sole? In altre parole, perché gli addebiti non si rompono?


Circa il possibile duplicato: voglio sapere delle cariche in generale, non solo di quelle di un elettrone.

La mia risposta alla risposta di Lawrence B. Crowell:

Grazie mille per l'ampia spiegazione. Purtroppo è un po 'sopra il mio livello (sono uno studente di laurea in ingegneria elettrica del primo anno). Ecco come lo capisco: se l'addebito è la somma di più addebiti separati, deve esserci una forza esterna che tiene insieme questi addebiti.

Tuttavia, il più delle volte pensiamo agli elettroni e ai protoni come cariche puntiformi. In altre parole, non li pensiamo come se fossero composti da parti diverse (più piccole).

Ma l'idea di elettroni e protoni come cariche puntiformi ha i suoi problemi. Non sapevo che il campo elettrico avesse una massa. Dalla formula, capisco che $ m \ propto \ frac {1} {r} $ . Ciò significherebbe che $ m \ rightarrow \ infty $ come $ r \ rightarrow 0 $ (o $ r = 0 $ ), cosa che ovviamente non è fisicamente possibile.

Ma c'è un modo per calcolare il raggio di un elettrone basato sulla massa, la velocità della luce e la costante di Planck. (Purtroppo non so perché.)

Puoi aggirare questo problema con una tecnica chiamata rinormalizzazione, che fa convergere l'integrale.

Sfortunatamente, non capisco il resto della risposta a causa del mio livello in fisica. Tuttavia ti sono grato per la tua risposta. Sarebbe fantastico se potessi confermare o correggere la mia comprensione.

Possibile duplicato: http://physics.stackexchange.com/q/231495/2451
@Qmechanic: Ecco un enigma: questo Qn * è * un duplicato di quello che citi.Tuttavia, questo ha 5 risposte (1 accettata, con 9 voti positivi) mentre l'altra ha 1 risposta breve (3 voti positivi, non accettata).Forse quel Qn dovrebbe essere chiuso come un duplicato di questo?
@sammy gerbil: Bene, hai il potere di votare per chiudere come un duplicato in ogni caso.
@Qmechanic: Ho votato per Leave Open this Qn.Proporrò di chiudere l'altro.
Kevin: Per favore, potresti chiarire che, quando dici che stai chiedendo "cariche in generale", intendi particelle subatomiche (come interpretate da valerio, LBC, ecc.) E non oggetti caricati macroscopici (come affrontato inizialmente da GNA)?La distinzione dovrebbe essere chiara anche nel titolo, IMO.
https://en.wikipedia.org/wiki/Self-energy e https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_mass#4.2F3_problem.Anche [Poincaré sottolinea] (http://www.soso.ch/wissen/hist/SRT/P-1905.pdf).
Sei risposte:
#1
+59
valerio
2016-07-19 18:14:54 UTC
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Le particelle composite come i protoni non si rompono a causa della forte interazione che tiene insieme i loro costituenti (i quark). Le particelle elementari come gli elettroni non si rompono perché sono particelle puntiformi, cioè non sono costituite da "parti" (se il modello standard è corretto).

@njzk2: Hmm ... mi chiedo se ci sia un sistema di upvoting che accetti predicati per revocare upvotes: "+1 Until Until meticolosamente-defined-condition".
@EricTowers: +1 se questo commento non ha il mio voto positivo
Questo ancora non spiega perché una particella puntiforme non interagisce con se stessa (quindi la sua funzione d'onda quantistica si espanderebbe più velocemente).Per questo, è necessario esaminare l'espressione dell'interazione nel quadro dell'elettrodinamica quantistica.Vedi https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1162
Il fatto che la particella sia puntiforme è in gran parte irrilevante.La cosa importante è che gli elettroni, i neutrini, ecc. Siano quantizzati / indivisibili / atomici, quindi non esiste nulla in cui possano separarsi.
@EricTowers Lo abbiamo già.Una risposta può essere [modificata per aggiungere aggiornamenti] (http://stackoverflow.com/help/editing) e [le modifiche consentono la revoca dei voti] (http://meta.stackexchange.com/a/80763/229356).
@OrangeDog +1 Il che dovrebbe sicuramente fare meraviglia soprattutto conoscendo l'etimologia di "atomo".Inoltre, non mi piace la risposta per suggerire che l'elettrone è una particella puntiforme quando è chiaramente lontano da esso, ad es.anello di benzene.Chiamarlo puntiforme sembra una cosa delicata, ma è molto importante, proprio perché ha lo scopo di eliminare la parte di localizzazione della definizione.
@OrangeDog "particella puntiforme" è un termine usato per designare particelle prive di struttura interna.È fondamentalmente un sinonimo di "particella elementare" e ha poco a che fare con il concetto di "particella puntiforme" nella meccanica classica.Vedi ad esempio https://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2013/today13-02-15_NutshellReadMore.html e http://physics.stackexchange.com/questions/24546/concept-of-a-point-particelle-in-meccanica-quantistica
@OrangeDog che mi ricorda il fatto che alcune particelle si rompono, ad es.muoni a causa della debole interazione.Questo può essere un esempio di ciò che il PO si aspetta, in senso generale.
@PeterKravchuk: Direi che i muoni non si rompono, si decompongono.Se provi a pensare ai decadimenti della QFT come alla rottura delle particelle costituenti, inizi a imbatterti in strani circuiti mentali abbastanza rapidamente.
#2
+42
Lawrence B. Crowell
2016-07-19 17:53:18 UTC
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Questa era una di quelle grandi domande del XIX secolo. Causa ancora un po 'di costernazione. Se hai un sistema composito, come il nucleo di un atomo, è necessaria un'altra forza. Questa forza ovviamente è l'interazione nucleare. Ciò impedisce ai protoni di volare via, anche se per alcuni nuclei instabili ci sono transizioni che espellono particelle cariche, elettroni o positroni, a causa di interazioni deboli. Nel caso del protone è composto da tre quark e questi sono legati tra loro dall'interazione QCD (cromodinamica quantistica). I bosoni di gauge chiamati gluoni interagiscono più fortemente a bassa energia e mantengono i quark, con cariche $ 2 / 3,2 / 3, -1 / 3 $ in uno stato legato .

Le cose sono un po 'più misteriose con particelle puntiformi, come l'elettrone e altri leptoni e quark. In genere non consideriamo tali particelle come composte, sebbene ciò non abbia impedito alle persone di proporre costituenti chiamati preon o rishons che le compongono.

Esiste un problema con la definizione della massa dell'elettrone o di qualsiasi particella puntiforme caricata elettricamente. La massa del campo elettrico è $$ m_ \ textrm {em} ~ = ~ \ frac {1} {2} \ int E ^ 2 ~ \ mathrm d ^ 3r ~ = ~ \ frac {1} {2} \ int_r ^ \ infty \ left (\ frac { e} {4 \ pi r ^ 2} \ right) ^ 24 \ pi r ^ 2 ~ \ mathrm dr ~ = ~ \ frac {e ^ 2} {8 \ pi r}. $$ se l'elettrone ha raggio zero questo è divergente. C'è il raggio classico dell'elettrone $ r ~ = ~ \ alpha \ lambda_c $ $ = ~ 2.8 \ times10 ^ { -13} ~ \ mathrm {cm} $ per $ \ lambda_c ~ = ~ \ hbar / mc $ la lunghezza d'onda di Compton. Ciò solleva alcune domande, poiché il raggio classico suggerisce "struttura" e ha anche una relazione con qualcosa chiamato Zitterbewegung .

Un approccio più standard a questo è la rinormalizzazione. Uno screenshot di questo è guardare questo integrale con le variabili $ p ~ = ~ 1 / r $ quindi in questo integrale sopra $ \ mathrm dr / r ~ \ rightarrow ~ - \ mathrm dp / p $ . Qui stiamo pensando alla quantità di moto e alla lunghezza d'onda o alla posizione come reciprocamente correlate. Questo integrale viene quindi valutato per un $ r $ finito come equivalente a essere valutato per un limite di quantità di moto finito $ \ Lambda $ $$ I (\ Lambda) ~ = ~ \ int_0 ^ \ Lambda \ frac {\ mathrm dp} {p} ~ \ simeq ~ 1 ~ + ~ 2 ^ {- 1} ~ + ~ 3 ^ {- 1} ~ \ dots $$ che è uguale a $$ \ lim _ {\ Lambda \ rightarrow \ infty} I (\ Lambda) ~ = ~ - \ zeta (1) $$ In un certo senso questa è una rimozione degli infiniti. Un altro modo curioso di vedere questo è con la $ p $ -adic number theory. Questo è un argomento che potrebbe consumare molta larghezza di banda.

Abbiamo un altro modo per vederlo. Ciò si riduce alla questione di cosa si intende per "composito". Ci costringe anche a pensare a cosa intendiamo per località degli operatori sul campo. Il monopolo magnetico Dirac è un solenoide con un'apertura a una bobina infinita. La condizione per il monopolo di Dirac è che la fase Aharonov-Bohm di un sistema quantistico sia zero mentre passa il "tubo" del solenoide $ \ psi ~ \ rightarrow ~ \ exp \ left (ovvero / \ hbar \ displaystyle \ oint {\ vec A} \ cdot ~ \ mathrm d {\ vec r} \ right) \ psi $ . Questo potrebbe essere paragonato al "tagliare la coda" sulla carica magnetica monopolare. La scomparsa di questo equivale a dire $$ 2 \ pi N ~ = ~ \ frac {e} {\ hbar} \ displaystyle \ oint {\ vec A} \ cdot ~ \ mathrm d {\ vec r} ~ = ~ \ frac {e} {\ hbar} \ iint \ nabla \ times {\ vec A} \ cdot {\ vec a}, $$ per l'integrale valutato su unità di superficie dell'apertura. Questo è ovviamente il campo magnetico $ {\ vec B} ~ = ~ - \ nabla \ times {\ vec A} $ valutato in una legge di Gauss che dà il carica magnetica monopolo $ g ~ = ~ \ displaystyle \ iint \ nabla \ times {\ vec A} \ cdot {\ vec a} $ e usiamo questa espressione per vedere la relazione S-dualità tra la carica unipolare elettrica e magnetica $$ ad es. ~ = ~ 2 \ pi N \ hbar, $$ a volte chiamato il rapporto Montonen-Olive.

Ciò significa che se abbiamo una carica elettrica possiamo usare il meccanismo di rinormalizzazione per illustrare come il vuoto attorno ad essa è polarizzato con particelle virtuali secondo $ \ alpha ~ = ~ \ frac {e ^ 2} {4 \ pi \ epsilon \ hbar c} $ . La carica elettrica è relativamente debole in forza con una modesta polarizzazione del vuoto espanso in ordini di $ \ alpha $ per $ N $ linee interne o loop. Questa relazione S-duale ci dice che mentre questo è modesto, il monopolo magnetico è molto forte e il vuoto è un "nido d'api" di molte particelle. Ciò significa che il duale del campo elettrico è un campo magnetico unipolare che in qualche modo appare composito.

Ciò significa in qualche modo che abbiamo domande da porre sulla località degli operatori sul campo. Qualcosa che appare locale, puntiforme e "carino" può essere duale a qualcosa che appare non così locale, più simile a quello composito e non rinormalizzabile. Di conseguenza ci sono ancora domande aperte su questo, e anche Feynman era d'accordo con Dirac sul fatto che la situazione con QED non era perfettamente soddisfacente.

I primi due paragrafi sono una bella risposta alla domanda originale, ma il resto sulla massa e gli infiniti è solo tangenziale e poco illuminante.Vorrei modificare in modo che la parte vitale non si perda nel testo lungo.
Secondo Ján il punto di vista - questo probabilmente attirerà un vasto pubblico (probabilmente sulla barra laterale HNQ abbastanza presto) e vogliamo risposte belle e corrette che abbiano anche facilmente compreso i tl; dr.In modo correlato, anche avere acronimi inspiegabili come QCD non è eccezionale.
Ho sempre trovato che un punto di forza di questo sito fosse la gamma di risposte che dava, da risposte simili in profondità a quelle sopra, ok lo ammetto, a quelle che potevo capire.Le risposte non sono solo per l'OP.
Sì, questo è HNQ ora.
Posso capire un po 'di costernazione su questo, ma questa domanda è molto sottile e forse altrettanto importante oggi come nel XIX secolo.Ha qualche relazione con la QFT non perturbativa, la località o la non località dei campi.Dirac e Feynman hanno ammesso che le risposte date dalla regolarizzazione possono essere solo approssimative o efficaci.
Grazie mille per l'ampia spiegazione.Purtroppo è un po 'al di sopra del mio livello (sono uno studente di laurea in ingegneria elettrica del primo anno).Ecco come lo capisco: se la carica è la somma di più cariche separate, deve esserci una forza esterna che tiene insieme queste cariche.(Si prega di leggere il resto di questo commento nella mia modifica della domanda. Purtroppo non ho abbastanza caratteri per scrivere tutto in questo commento.)
È "zwitterbewegung", per coloro che potrebbero essere interessati.
Fatto divertente: in realtà è "Zitterbewegung" (cioè "movimento tremante")."Zwitterbewegung" si tradurrebbe in "movimento ermafrodito" ... e non credo che abbia qualcosa a che fare con l'argomento.;-)
@JánLalinský: Invece di eliminare, usa la formattazione per chiarire che stiamo andando in un territorio più avanzato che richiede conoscenze di base e matematica notevolmente maggiori.per esempio.nel markdown usa una regola e un'intestazione, come: `---` / `### Letture opzionali: meccanica quantistica vs. infiniti nel campo elettrico di una carica puntiforme`
@PeterCorders, Ho avuto un'idea simile: contrassegnare le cose avanzate tangenzialmente correlate in modo tale che appaiano come parte meno importante, ad esempio utilizzare il font petit.
#3
+6
GNA
2016-07-19 17:09:22 UTC
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Quando hai un oggetto carico, ad esempio una sfera di metallo carica, ovviamente le cariche sulla superficie della sfera interferiscono tra loro. A causa di questi effetti la carica viene distribuita equamente sulla sfera.
Tuttavia, questi effetti non sono abbastanza grandi da rompere effettivamente la sfera o qualcosa del genere.

Se il tuo oggetto è caricato abbastanza in alto, possono esserci scariche su altri oggetti (come l'aria) a causa della potenziale differenza.


Guardando un elettrone: è una particella subatomica e non può essere divisa a "metà". Non è come un oggetto che porta la carica. La carica è una proprietà fondamentale dell'elettrone stesso.

I protoni contengono due $ \ frac {2} {3} $ - quark con carica positiva e un $ \ frac {1} {3} $ - quark con carica negativa. I quark vengono incollati insieme tramite gluoni. Questi aumentano la forza necessaria per tenere insieme il protone. I quark sono anche particelle elementari, secondo il modello standard


Utilizzando un acceleratore di particelle puoi frantumare protoni e altre particelle l'una nell'altra. In questo caso è possibile distruggere i legami tra i quark e vengono create nuove particelle.

Grazie per la risposta.Quindi un elettrone _è_ una carica, invece di _avere_ una carica.Se la carica è la somma di più altre cariche, deve esserci una forza che tiene insieme queste più cariche.
@Kevin.Sì.Ma chiariamo che l'elettrone NON è una carica.La carica è più o meno una proprietà dell'elettrone.Proprio come massa e rotazione.
L'elettrone @Kevin, non è solo carica, ha molte altre proprietà che non sono implicite nella sua carica elettrica.Ad esempio, l'elettrone ha una massa di 9E-31 kg.Non sappiamo se questo sia in qualche modo correlato alla sua carica 1.6E-19 C.
#4
+3
Lagrangian
2016-07-19 17:21:07 UTC
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Le cariche simili si respingono tramite l'interazione elettromagnetica mediata da particelle di scambio (bosoni di gauge) chiamate fotone. Poiché il fotone è privo di massa, la forza elettromagnetica ha una portata infinita e tutte le cariche simili tenteranno di separarsi l'una dall'altra. Tuttavia, quelli che non lo sono sono tenuti insieme da una forza che non è di natura elettromagnetica, forze attrattive come la forza nucleare forte o la gravità.

È risaputo che un protone consiste di quark uud, e il motivo per cui i quark respingenti che hanno ciascuno una carica elementare +2/3 non si separano l'uno dall'altro è dovuto a una forza ancora più forte che li tiene insieme, a causa ai tubi di flusso tra di loro liberando il campo di gluone causando stabilità. Questo è anche l'omonimo della forza nucleare forte, senza di essa, la materia non esisterebbe.

Esiste anche un'unità per una carica, alla scala di una particella fondamentale. Questa indivisibilità è coerente con il motivo per cui l'elettrone non può frantumarsi in cariche più piccole, è la carica più piccola. Secondo la comprensione moderna, l'elettrone è una particella puntiforme con una carica puntiforme e nessuna estensione spaziale. I tentativi di modellare l'elettrone come una particella non puntiforme sono considerati incoerenti con la realtà.

#5
+3
Vladimir Kalitvianski
2016-07-19 18:47:06 UTC
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Un altro punto di vista è considerare l'elettrone come macchiato dal punto di vista meccanico quantistico a causa del suo accoppiamento permanente agli oscillatori del campo elettromagnetico.Una tale costruzione è piuttosto "morbida" ed è facile da eccitare - irradiare e assorbire fotoni morbidi.In questo senso, questa costruzione non è elementare e puntiforme. La somiglianza dei punti è quindi un'immagine inclusiva, non quella "elastica".

#6
+1
hsinghal
2016-07-22 00:19:03 UTC
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Vorrei aggiungere che se non consideriamo le particelle elementari ma pensiamo a quelle sfere cariche di metallo, possono effettivamente rompersi.Se continui a rimuovere elettroni da un blocco di materiale e proteggi la scarica dall'atmosfera vicina, dopo uno stadio la repulsione tra cariche simili diventa più forte della loro forza coesiva di legami chimici e il materiale esploderà.Questo fenomeno è noto come esplosione di Coulomb.Si osserva principalmente nelle nanoparticelle e viene utilizzato per generare ioni energetici.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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