Что такое «дискретность заряда»?

Дискретность заряда — это утверждение о том, что заряд поступает в виде пакетов размером в 1 заряд электрона. Вы можете понять это как следствие того факта, что все состоит из частиц с определенным зарядом, но тогда остается вопрос, почему антипротон и электрон имеют одинаковый заряд.

Все частицы имеют заряд, противоположный своей античастице, поскольку частица и античастица всегда связаны обращением времени и отражением пространства (это теорема СРТ). Это одно из точных утверждений того факта, что античастицы — это частицы, уходящие в прошлое. Но не существует наблюдаемого процесса, который превращал бы протон в антиэлектрон, так что заряды этих двух элементов явно не связаны.

Но заряды протона и электрона в современной физике связаны тремя разными способами.

1. Магнитные монополи требуют последовательного квантования заряда. Векторный потенциал определяется фазовым сдвигом, который он производит на заряженных частицах, и он умножается на заряд, чтобы превратиться в фазу. Если заряды квантованы, то определенная величина векторного потенциала на линии не эквивалентна ничему, так что определенная величина магнитного потока неотличима от отсутствия потока.
2. В стандартных моделях великого объединения эти монополи катализируют распад протона. Это называется эффектом Каллана-Рубикова.
3. Черные дыры могут преобразовывать заряд протонов в заряд электронов, оставляя после себя разницу двух зарядов. Маленькие заряженные черные дыры обязательно являются легкими в теории струн или квантовой гравитации, поэтому вы можете сделать вывод, что если заряд не квантуется, вокруг бегают очень легкие заряженные частицы.

Первые два пункта тесно связаны, потому что, если у вас есть дискретная калибровочная группа, вы можете создать монопольное поле на дополнении к небольшой сфере. Если у вас есть теория великого объединения, это монопольное поле может простираться внутрь сферы, пока вся группа компактна (это означает, что в большой теории нет неквантованного заряда). Таким образом, идея квантованного заряда в конечном счете равносильна существованию монополей.

Другой способ распространить монопольное поле на дополнение сферы внутрь — сделать сферу черной дырой. Это связывает первые два случая с третьим. Во всех современных физических теориях заряд квантуется по фундаментальным причинам, и магнитные монополи обязательно исчезают по той же причине.

Таким образом, понятие квантования заряда действительно является фундаментальным: оно гласит, что все обнаруженные нами частицы с электрическим зарядом будут иметь заряд, кратный заряду электрона (для кварков он делится на 3). утверждение относится к заряду U(1) фундаментальной калибровочной группы, а фундаментальные заряды кратны 1/6 --- все эти безумные заряды объясняются вложением в теорию великого объединения SU(5)).