El electrón contiene cargas negativas finitas. Los mismos cargos se repelen entre sí. ¿Qué hace que el electrón sea estable y por qué no explota?

La excelente respuesta de Lucas Curtis a El electrón contiene carga negativa finita. Los mismos cargos se repelen entre sí. ¿Qué hace que el electrón sea estable y por qué no explota? dice todo lo que sabemos sobre los electrones AFAIK. La siguiente es una nota al margen sobre algunas especulaciones sobre electrones. Proporciona algunas respuestas postuladas a las partes más profundas de la pregunta, pero estas teorías hasta ahora no hacen predicciones que puedan ser probadas contra el experimento, por lo que son solo teorías hermosas.

La teoría de Kaluza-Klein generaliza las ecuaciones de campo de Einstein para la gravedad en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones al agregar una quinta dimensión espacial, pero de lo contrario usando las mismas ecuaciones. Los términos agregados en las ecuaciones de campo resultan ser idénticos a las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo.

> ¿Qué es un cargo después de todo?

En esta imagen, la carga se corresponde con el impulso a lo largo de la quinta dimensión.

Por supuesto, si hay cuatro dimensiones espaciales, uno debe explicar por qué experimentamos solo tres de ellas. La respuesta postulada de Kaluza-Klein es que, si bien el espacio-tiempo es infinito (o extremadamente grande) a lo largo de las tres dimensiones espaciales familiares y la dimensión del tiempo, a lo largo de la quinta dimensión la distancia alrededor del Universo es demasiado pequeña para que podamos percibirlo , incluso con el mayor aumento posible. Entonces se dice que la dimensión está “compactada”.

> ¿Es una ley de la naturaleza que la carga de electrones es la carga más pequeña posible que puede existir independientemente?

Ahora tenemos cuerda en mecánica cuántica. Relaciona el impulso de una partícula libre con la longitud de onda de una función similar a una onda llamada “función de estado”. Si una onda se propaga a lo largo de una dimensión compacta, pronto se encuentra a sí misma. Dado que una onda tiene solo un valor en cada punto, después de propagarse una vez alrededor del Universo debe tener el mismo valor con el que comenzó. Eso significa que la distancia alrededor del Universo debe ser un múltiplo integral de la longitud de onda. Dado que el momento es inversamente proporcional a la longitud de onda, eso a su vez significa que el momento solo puede tener un conjunto discreto de valores. La diferencia entre cada valor y el siguiente es entonces la carga fundamental.

> ¿Es como el espacio y el tiempo …?

De acuerdo con esta imagen, sí. Sin embargo, (repito para enfatizar) es solo una teoría, sin verificación experimental.

La teoría de cuerdas requiere 6 dimensiones espaciales compactadas. Supongo que las cargas fraccionales de los quarks pueden explicarse por cadenas que se extienden por todo el Universo a lo largo de alguna combinación de diferentes dimensiones espaciales compactas, pero esta suposición está yendo aún más a la especulación. Los Quarks también tienen una “carga de color”, que no es ± 1, pero se puede representar como

1, (-1 + i √3) / 2 y (-1 – i √3) / 2.

Los electrones tienen otro tipo de carga, llamada “número de leptones”. Es +1 para los electrones, sus dos hermanos más pesados ​​y los compañeros neutrinos de esos tres. El número de leptones es -1 para sus antipartículas y 0 para todo lo demás, por lo que también ayuda a estabilizar los electrones.

Otro tipo de carga, que también ayuda a estabilizar los electrones, es el número de bariones, que es +1 para neutrones, protones y muchos parientes más pesados. Dado que el número bariónico es 0 para los electrones, eso también ayuda a estabilizarlos.

No conozco ninguna investigación para relacionar estos otros cargos en dimensiones compactas. Como la teoría de cuerdas requiere 6 dimensiones compactas, casi corresponden a varias cargas, pero eso es solo mi especulación.

Bien, abordemos sus preguntas una a la vez.

  1. ¿Qué hace que el electrón sea estable y por qué no explota? El electrón es una partícula elemental; es decir, no está hecho de partículas más pequeñas. No hay partículas más pequeñas en las que un electrón pueda explotar. Incluso si el electrón estuviera hecho de partículas más pequeñas cargadas negativamente, eso no significa que necesariamente se rompería. Podría haber alguna otra fuerza que supere la repulsión electromagnética entre partículas con la misma carga y las mantenga juntas. Por ejemplo, los protones en el núcleo atómico no se separan porque la fuerza fuerte residual los une (y los neutrones). Pero ese no es el caso del electrón; Simplemente no hay nada que romper.
  2. ¿Es una ley de la naturaleza que la carga de electrones es la carga más pequeña posible que puede existir independientemente? En una palabra, si. La magnitud de la carga en un electrón o protón se conoce como la carga elemental , o e. La carga del electrón es -e, mientras que la carga del protón es + e. Quarks, las partículas constituyentes de protones y neutrones, tienen cargas que son fracciones de e; sin embargo, los quarks nunca pueden existir por sí mismos. Por lo tanto, sí, e es la menor cantidad de carga que puede tener una partícula independiente.
  3. ¿Qué es un cargo después de todo? La carga es simplemente una propiedad de la materia. Eso es todo. Es una cualidad que posee la materia, similar a la masa y la energía.
  4. ¿Es como el espacio y el tiempo o podemos explicarlo en términos de otras cantidades físicas? No, la carga es bastante fundamental, como un electrón. No se puede analizar en ninguna propiedad más simple. Simplemente es.

La carga parece ser una propiedad fundamental de la materia. Podemos usar los principios de simetría para argumentar que es una cantidad conservada, pero no tenemos una explicación para la carga en términos de cosas más familiares.

La carga de un electrón no es la carga más pequeña posible. Quarks y antiquarks tienen cargos de [math] \ pm {1 \ over3} [/ math] y [math] \ pm {2 \ over3} [/ math] de la carga del electrón, y algunas “cuasipartículas” en sólidos 2D bajo alto el campo magnético parece tener cargas fraccionarias aún más pequeñas ( p . ej . [matemáticas] {1 \ over5} e [/ matemáticas]). Pero todos están cuantizados en fracciones enteras de la carga de electrones.

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