Estructura intrínseca del electrón

¡Esa es una gran pregunta!

Desafortunadamente, la única respuesta honesta es "eso es lo que vemos en la naturaleza, con gran precisión y total reproducibilidad". No hay una comprensión teórica profunda.

La forma más exótica de su pregunta se expresa en términos de la energía propia de un electrón, y es una pregunta que acosó al premio Nobel Richard Feynman durante toda su vida. Primero trató de imaginar que el campo que emana de un electrón simplemente no era visto por el propio electrón, de la misma manera que una mujer de pie en una meseta alta no puede "ver" su propia altura, ya que desde donde se encuentra todo alrededor de ella es plano.

No funcionó. Accidentalmente lo condujo a algunos métodos para lidiar con el problema que le valió el Premio Nobel, pero sus propias conclusiones más adelante en la vida fueron que él y todos los demás habían fallado rotundamente, y que la energía propia de un electrón seguía siendo un misterio. sigue siendo

Entonces, ¿por qué es este problema tan difícil?

Lo expresó bastante bien en su pregunta: si las cargas similares se repelen, ¿por qué un electrón simplemente no se destruye? Después de todo, si tomas cien objetos pequeños con carga negativa y tratas de unirlos, la necesidad de energía sigue aumentando a medida que los acercas. Para un objeto puntual infinitamente pequeño como un electrón, ¡esa energía llega al infinito! Entonces, las partículas puntuales y las cargas simplemente no funcionan bien juntas... ¡sin embargo, la mitad de las cargas en nuestro mundo están compuestas de tales partículas! E incluso los protones tienen su propia versión del problema debido a los quarks de tres puntos que están dando vueltas dentro de ellos.

He aquí una forma algo diferente de visualizar el problema de la energía propia. Me gusta porque cuando era niño me gustaba poner el pulgar sobre el extremo abierto de una manguera de agua para ver qué tan lejos y rápido podía salir el agua.

La analogía funciona así: resulta que se puede modelar un campo eléctrico con una precisión notable simplemente imaginando una carga positiva como el extremo de una manguera que arroja una cantidad fija de litros de agua por segundo en un charco de agua (espacio ). Una carga negativa se convierte entonces en el extremo de otro tipo de manguera que succiona agua de la piscina al mismo ritmo. James Clerk Maxwell , uno de los físicos más brillantes de toda la historia humana, fue una de las primeras personas en notar esta analogía. Es por eso que las "líneas de fuerza" también se denominan a veces líneas de "flujo" (que significa "flujo"). Maxwell hizo un buen uso de esta analogía para ayudarlo a derivar sus famosas Ecuaciones de Maxwell., mediante el cual pudo unificar el magnetismo y la electricidad estática en una sola teoría unificada de fuerzas. Fue Maxwell quien primero se dio cuenta de lo que es realmente la luz, aplicando su propia teoría.

Volviendo al problema de la energía propia: ¿alguna vez ha puesto el pulgar sobre el extremo de una tubería que quiere arrojar agua a una velocidad fija sin importar cuán pequeña sea la abertura? Lo que sucede es que el agua se acelera y se vuelve mucho más contundente. Una manguera que deja caer agua suavemente cuando tiene una abertura de varios centímetros de ancho se convierte en una manguera contra incendios pequeña pero increíblemente intensa cuando la mayor parte de esa abertura está bloqueada. El flujo lento se convierte en un microtorrente cuya velocidad es tan alta que cortará objetos blandos.

Imagina el tamaño del extremo de esa manguera como el tamaño de un electrón. Si es una gran apertura, no hay problema. Obtiene el flujo completo sin alcanzar velocidades extremas.

Pero, ¿y si empiezas a hacer el extremo de la manguera cada vez más pequeño? Todavía tiene que producir la misma cantidad de litros por segundo, por lo que, al igual que cuando pones el pulgar sobre el extremo de una gran abertura y tratas de bloquearla, el flujo de agua se acelera . Cuanto más pequeña sea la apertura, más extrema será la velocidad, por ejemplo, reducir el tamaño de la salida a la mitad hace que la velocidad del agua se duplique, solo para que pueda mantenerse. Lo mismo es cierto para el electrón, solo que la "fuerza" del campo reemplaza la "velocidad" del agua, y las "líneas de campo" reemplazan la trayectoria del flujo del agua.

Entonces, si reduce el tamaño del "orificio de salida" (ya sea el extremo de una manguera o el tamaño de un electrón) hasta un punto, ¿qué sucede?

Fácil: La velocidad llega al infinito... ¡lo cual, por supuesto, no puede suceder! Las velocidades infinitas ni siquiera son posibles para el agua, que está limitada por la velocidad de la luz. Requerirían energía ilimitada solo para acercarse a la velocidad de la luz.

La situación no es mejor para las partículas cargadas puntuales, que de manera similar deben adquirir densidades de campo (piense en la velocidad) que se aproximan al infinito. Eso, en pocas palabras, es otra forma de entender un poco más visualmente por qué la energía propia es tan difícil.

Entonces, con todo lo dicho, es posible que algún día haya una teoría que realmente explique tales cosas, que las explique profundamente, de esa manera especial que les da a las personas que lo leen ese pequeño y genial "¡guau, ahora finalmente lo entiendo! " sintiendo que todo finalmente encaja?

Bueno, ahora mismo no. La teoría de cuerdas realmente no se preocupa por tales problemas y, de hecho, podría decirse que los empeora al representar todo como pequeñas cuerdas cuya energía propia es bastante astronómica. La teoría de Harari-Shupe Rishon es más una buena observación organizativa que una teoría (piense en la tabla periódica), pero todo lo que hace es hacer que todas las cargas puntuales sean un tercio de las de un electrón. No sé si Garrett Lisi alguna vez ha tratado de abordar el problema de la energía propia en su notable teoría E8 , pero al menos proporcionaría un nuevo ángulo sobre el problema que podría arrojar algo de luz sobre él.

Entonces, nuevamente: gran pregunta, pero, ¡ay, no hay nadie que pueda responderla todavía! Pero quién sabe, alguien que lea esta respuesta puede ser la persona que lo resuelva algún día, ¿por qué no? Sí, es un problema muy difícil... pero la mayoría de la gente no tiene idea de lo que son realmente capaces de hacer si tienen una habilidad especial para la física, están realmente interesados ​​y están dispuestos a trabajar duro en ello.

El electrón es estable (a partir de un QFT POV) porque no hay ninguna partícula con menos energía (en el modelo estándar) en la que pueda desintegrarse y, al mismo tiempo, conservar todas las leyes de conservación conocidas.

En cuanto a la parte de "explosión", esa pregunta proviene de una visión clásica del electrón que no se sostiene, ya que sabemos por QM que los electrones también se comportan como entidades duales de onda-partícula. Podrías convertir la masa de un electrón en energía y calcular cuál sería el radio de una esfera cargada (o superficie esférica) con carga total$-|e|$de modo que tendrían la misma energía pero eso solo daría un radio clásico. Cerca y dentro de ese radio necesitarías QM o QFT para describir el electrón. Y desde el punto de vista de QFT, no hemos visto que el electrón se comporte como algo más que una partícula puntual (cuando lo observamos como una partícula), sin importar qué tan cerca lo "sondeemos".

En cuanto a lo que es la carga, la describiría como una cantidad observable, medible y escalar. (También se conserva debido a la simetría U(1) de E/M.) Tal vez no sea la mejor respuesta, pero así es como abordo ese problema.

Si calculamos la energía necesaria para ensamblar un electrón a partir de una nube de carga muy dispersa como e, entonces e es casi igual a la masa en reposo del electrón. (Esto tiene en cuenta el tamaño experimental del electrón de los experimentos de colisión y la densidad de carga uniforme en el electrón). Aunque esta información no explica la estabilidad del electrón... da una imagen, es decir, es energía concentrada. El espín y los campos magnéticos pueden ser la principal razón vinculante, lo que lleva a la teoría de la onda cuántica.