Что такое заряд на самом деле? Как это определить? [закрыто]

Заряд является фундаментальным сохраняющимся свойством частиц. Если хотите, это мера того, насколько частица взаимодействует с электромагнитными полями. Частица с зарядом может создавать и подвергаться воздействию электромагнитных полей. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что частица имеет электрический заряд. Было бы полезно думать об этом как о простом квантовом способе измерения силы связи частиц с соответствующей силой, поскольку понятие заряда распространяется и на другие силы.

например:

электрический заряд для электромагнитной силы, цветовой заряд для сильной силы и т. д.

См. Также ответ @JamalS, который более толстый по абстракции и показывает квантово-теоретическое происхождение электрического заряда.

Заряд - это величина, возникающая из теоремы Нётер из-за непрерывной глобальной симметрии (с точностью до полной производной) лагранжиана, и поэтому у нас есть много типов заряда, кроме электрического. Например, рассмотрим лагранжиан Дирака,

$$\mathcal{L} = \bar{\psi}(i\gamma^{\mu}\partial_{\mu}-m)\psi$$

который описывает фермионы. Он инвариантен изменением фазы, т.е.$\psi \to e^{-i\alpha}\psi$, который имеет сохраняющийся ток, а именно,

$$j^{\mu} = \bar{\psi}\gamma^\mu \psi$$

Сохраняющаяся величина, т. е. нётеровский заряд, возникающий из-за симметрии, является интегралом по всему пространству нулевой компоненты, поэтому

$$Q = \int \mathrm{d}^3 x \, \, \bar{\psi} \gamma^0 \psi = \int \mathrm{d}^3 x \, \, \psi^{\dagger}\psi$$

Количество$Q$действительно электрический заряд. Кроме того, когда поле$\psi$квантуется и разлагается в виде плоской волны с операторами в виде коэффициентов Фурье, можно показать, что$Q$также имеет интерпретацию числа частиц для фермионов. В классическом электромагнетизме заряд также определяет величину воздействия магнитных и электрических полей на заряженное вещество через соотношение сил Лоренца:

$$\vec{F} = q\left(\vec{E}+ \vec{v} \times \vec{B}\right)$$

Элементарный заряд$e$также играет роль константы связи в квантовой электродинамике, которая грубо определяет силу члена взаимодействия, а именно

$$\mathcal{L}_{\mathrm{int}} \sim e \bar{\psi}\gamma^\mu A_\mu \psi$$

соответствует вершине взаимодействия, включающей фотон, позитрон и электрон. Кроме того, муфта$e$фактически зависит от масштаба, продиктованного бета-функцией (до одного порядка цикла),

$$\beta (e) = \frac{e^3}{12\pi^2}$$

Итак, идея о том, что существует единый$e$неправильно; из бета-функции, предполагая, что никакие дополнительные поправки не изменяют ее природу, мы можем сделать вывод, что связь увеличивается с увеличением масштаба энергии.