Почему электрон и протон имеют одинаковый, но противоположный электрический заряд?

Потому что протон может распасться на позитрон. Это экспериментальный факт, что заряды протона и позитрона очень близки. Чтобы заключить, что они точно равны, требуется аргумент. Если протон теоретически может распасться на позитрон и нейтральное вещество, этого достаточно.

В КЭД зарядовое квантование эквивалентно утверждению о компактности калибровочной группы. Это означает, что имеется калибровочное преобразование по полному$2\pi$вращение полей, которое вообще ни к чему не равносильно. В этих обстоятельствах у вас есть следующее:

• Заряд квантуется
• Существуют струнные решения Дирака, которые имеют магнитный поток, неотличимый от отсутствия потока (магнитный поток - это фаза вокруг петли).

Если у вас есть какой-либо ультрафиолетовый регулятор, либо ТВО, либо гравитация, существование струн Дирака приводит к монополям. Если у вас нет ультрафиолетового регулятора, целесообразно сделать все монополи бесконечно массивными.

Итак, вопрос в том, почему U(1) электромагнетизма компактно. Есть два варианта ответа на этот вопрос:

• Компакт U(1) возникает из более высокой калибровочной группы, потому что все более высокие калибровочные группы должны быть компактными, чтобы кинетические члены имели правильный знак. При разрыве компактной группы получается подгруппа, обязательно компактная.

Верно также и то, что в любой теории ТВО, производящей электромагнетизм, вы получаете монополи, поэтому вы автоматически получаете квантование заряда по аргументу Дирака.

Но даже если у вас есть U(1), который не является частью ТВО, существуют ограничения гравитации. Если у вас есть частица с зарядом q и частица с зарядом q', и они не являются рациональными кратными друг другу, вы можете создать частицу с зарядом$nq - m q'$бросая nq частиц в черную дыру, ожидая выхода m q' частиц и позволяя образовавшейся черной дыре распасться, отбрасывая при этом любую вылетевшую заряженную частицу.

Это означает, что в последовательной квантовой гравитации вам нужно либо квантование заряда, либо спектр зарядов, который накапливается около нуля. Кроме того, чтобы теория была последовательной, черная дыра, состоящая из крошечных зарядов, должна иметь возможность естественным образом распадаться на крошечные заряженные объекты, и, исключая заговорщический спектр зарядов и масс, это убедительно свидетельствует о том, что масса крошечных зарядов должны быть меньше заряда, а это означает, что по мере уменьшения заряда они становятся безмассовыми.

Таким образом, в квантовой гравитации единственной альтернативой квантованию зарядов является теория почти безмассовых частиц с чрезвычайно малыми зарядами, и это имеет четкие экспериментальные признаки.

Я должен отметить, что если вы считаете, что материя стандартной модели завершена, то для устранения аномалий требуется, чтобы заряд протона был равен заряду позитрона, потому что существует инстантон-опосредованный распад протона, открытый т'Хофтом, и это то, что мы могли бы вскоре наблюдать в ускорителях. Таким образом, чтобы сделать заряд протона немного отличным от заряда электрона, вы не можете изменить параметры в стандартной модели, вам нужно добавить чертовски много ненаблюдаемых почти безмассовых фермионов с крошечным зарядом U(1).

Это достаточная конспирологическая неправдоподобность, чтобы вместе с экспериментальной оценкой можно было с уверенностью сказать, что протон и электрон имеют совершенно одинаковый заряд.

На уровне КЭД и выше равенство зарядов не имеет теоретического объяснения. Но это чрезвычайно хорошо установлено экспериментально, так как даже небольшие отклонения в сумме приводят к огромному количеству электричества в объемном веществе.

На уровне стандартной модели значение зарядов верхнего и нижнего кварков получается из простой арифметики зарядов протона и нейтрона и, следовательно, не дает независимой части информации.

С другой стороны, если окажется, что единая теория поля с полупростой калибровочной группой верна, это вызовет квантование заряда, поскольку существует только дискретное число неприводимых унитарных представлений (которые определяют возможные квантовые числа = заряды). Это превратило бы приблизительное равенство в точное и тем самым доказало бы равенство зарядов протона и электрона (без учета знака). Таким образом, это объясняет это равенство.

Между прочим, голые заряды заряженных элементарных частиц бесконечны и лишены всякого физического смысла.

Ответ "потому что". Это экспериментальный факт.

Это один из первых собранных данных, подтверждающих атомную теорию. Если бы они не были одинаковыми, атомы не были бы нейтральными, всегда оставался бы избыточный заряд, а данные химии и атомной физики были бы другими, если бы химия и атомы вообще существовали.

Этот факт вместе с множеством фактов, изученных за столетие и более, привели к установлению стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель упрощает информацию в данных аналогично тому, как, когда известны симметрии, описывающие кристаллическую решетку, кристалл можно описать несколькими параметрами и уравнениями. Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя прекрасные симметрии, которые в конечном итоге должны возникать из любых теоретических моделей физики элементарных частиц, стремящихся стать теорией целого.

Это связано с наблюдаемым фактом, что все заряды кратны заряду электрона. Заряд электрона — это минимальный заряд, который может иметь изолируемая частица. Кварки имеют заряд$1\over 3$$e$, так что это можно считать минимальной платой. Однако кварки никогда не обнаруживаются сами по себе из-за свойства, называемого удержанием кварков . Вместо этого они всегда находятся либо в группах по три (барионы), либо по два (мезоны). Однако любой из этих адронов имеет заряд, кратный заряду электрона.

Почему электрический заряд квантуется? То есть, почему все заряды кратны$e$? Поль Дирак попытался найти решение этой проблемы, показав, что существование магнитных монополей требует, чтобы электрические заряды были дискретными кратными. Проще говоря, основной аргумент состоит в том, что если существуют магнитно заряженные частицы (магнитные монополи), они тоже должны иметь четко определенные квантовые состояния, и что это требование накладывает ограничения на электрические потоки. Это ограничение приводит к требованию квантования электрического заряда. Вывод см. здесь:

http://bado-shanai.net/map%20of%20physics/mopDiracsMagMonopoles.htm

Однако до сих пор ни один эксперимент не обнаружил монополи. Итак, на самом деле нет очень убедительного объяснения квантования заряда.

Я не дам вам ответ для разницы знаков, но я дам вам ответ для того же скалярного значения элементарного заряда$e$.

Спиновый магнитный дипольный момент электрона для g-фактора = 2 составляет один магнетон Бора. $μ_{Β}$:

$$\mu_{\mathrm{B}}=\frac{e \hbar}{2 m_{\mathrm{e}}}$$

$$μ_{Β}=9.2740100783 \times 10^{-24} \mathrm{~J} \mathrm{~T}^{-1}$$

Спиновый магнитный момент протона (т. е. не полный магнитный момент) , если рассматривать его как частицу Дирака, равен одному ядерному магнетону :

$$\mu_{\mathrm{N}}=\frac{e \hbar}{2 m_{\mathrm{p}}}$$

$$\mu_{\mathrm{N}}=5.050783699(31) \times 10^{-27} \mathrm{~J} / \mathrm{T}$$

Как мы видим из приведенных выше уравнений и значений, меньший спиновый магнитный момент Дирака протона компенсирует его большую массу (т.е. меньшие размеры), давая такое же значение абсолютного заряда.$e$для обеих частиц при решении уравнений для$e$.

Почему это происходит? Это факт природы. Не удовлетворены? По крайней мере, я могу рассказать вам, что принципиально и физически происходит?

Электрический поток как электрона, так и протона одинаков (в единицах СИ В⋅м):

$$\Phi_{E}=\unicode{x222F}_{S} \mathbf{E} \cdot \mathrm{d} \mathbf{S}=\frac{Q}{\varepsilon_{0}}$$

• $\mathbf{E}$это электрическое поле,
• $\mathbf{S}$любая замкнутая поверхность,
• $Q$- величина элементарного заряда, абсолютная величина e,
• $\varepsilon_{0}$- электрическая постоянная (универсальная постоянная, также называемая «диэлектрической проницаемостью свободного пространства»)$\left(\varepsilon_{0} \approx 8.854187817 \times 10^{-12} \mathrm{~F} / \mathrm{m}\right)$

или же,

$$\Phi_{E}=\frac{2 \mu_{\mathrm{B}} m_{e}}{\varepsilon_{0} \hbar}=\frac{2 \mu_{N} m_{p}}{\varepsilon_{0} \hbar}=18.09 \times 10^{-9} V⋅m$$

Физическая интерпретация приведенных выше последних уравнений: и электрон, и протон содержат одинаковое количество электрического потока.$\Phi_{E}$, что означает, что плотность потока увеличивается с частицей меньшего размера (т.е. с большей массой). Однако пропорционально уменьшается и объем, поэтому общая величина электрического потока остается постоянной для обеих частиц, таким образом, одинаковая абсолютная величина элементарного заряда$e$.