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).

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.

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.

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.

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".

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.