Имеют ли электроны форму?

Насколько нам известно, электрон является точечной частицей — это рассматривается в вопросе, предложенном Qmechanic: каково распределение плотности массы электрона?

Однако электрон окружен облаком виртуальных частиц, и эксперименты по ссылкам, которые вы предоставили, изучали распределение этих виртуальных частиц. В частности, они пытались измерить электрический дипольный момент электрона , который определяется распределением виртуальных частиц. В этом контексте слово « форма » означает форму облака виртуальных частиц, а не форму самого электрона.

Стандартная модель предсказывает, что облако виртуальных частиц сферически симметрично, что значительно ниже текущей экспериментальной ошибки. Однако суперсимметрия предсказывает, что существуют отклонения от сферической симметрии, которые можно измерить. Недавние эксперименты показали, что электрический дипольный момент равен нулю, т. е. облако виртуальных частиц сферически симметрично, с точностью, которая бросает вызов суперсимметричным расчетам.

Однако существует множество различных теорий, основанных на суперсимметрии, так что результат не доказывает, что суперсимметрии не существует — он просто ее ограничивает.

Форма распределения зарядов описывается в терминах мультипольного расширения , которое можно представить как подобное разложению Фурье , но в двух измерениях. Общий заряд дает вам «монопольный член», взаимодействие которого сферически симметрично. Если есть смещение между центром распределения массы и центром распределения заряда, у вас есть дипольный момент. Монетообразное или сигарообразное распределение имеет ненулевой квадрупольный момент, грушевидное распределение имеет октупольный момент и так далее. Как и в анализе Фурье, можно представить любое распределение заряда в терминах мультипольных моментов, хотя форма с острыми краями (например, куб) потребует бесконечного числа терминов.

Электрон не может иметь форму куба или даже монеты или сигары по теоремеотносительно мультиполярности и спина. Бесспиновая частица может иметь монопольный момент, но не дипольный; частица с половинным спином может иметь монопольный и дипольный моменты, но не квадрупольный момент; частица со спином один может иметь монопольный, дипольный и квадрупольный моменты, но не октупольный момент. Ручной, мультяшный способ думать об этом состоит в том, что любые такие моменты должны быть квантованы по направлению вращения частицы — в противном случае, когда частица вращается, они усреднялись бы до нуля. Если вы хотите, чтобы распределение заряда электрона было сигарообразным, как у ядра урана, вам нужно указать, что поляризованный электрон имеет больше заряда вблизи своих полюсов, чем вблизи его середины. Но частица с половинным спином не имеет никакой проекции спина около своей середины — есть только «вверх» и «вниз».

Кроме того, у нас есть наблюдение, что взаимодействия электрона почти инвариантны относительно симметрии сопряжения по четности ,$P$, и зарядовое сопряжение ,$C$. Это еще больше ограничивает доступные моменты, потому что спин электрона, с которым должны быть связаны дипольные моменты, является аксиальным вектором и не меняет знак под действием$P$. Таким образом, в очень хорошем приближении распределение массы и заряда электрона может нести только монопольный момент, в то время как его магнитное поле (еще одна аксиальная векторная величина) может нести только дипольный момент. Это дает нам обычную игрушечную модель электрона в виде сферического вращающегося стержневого магнита.

Однако взаимодействия электрона не вполне инвариантны при одновременном сопряжении четности и заряда. Это преобразование,$CP$, — оператор, переводящий электрон в позитрон. Нашим самым убедительным доказательством того, что Вселенная по-разному обращается с электронами и позитронами, является то, что Вселенная полна электронов, но содержит лишь случайные позитроны. Для достижения этого состояния требуется, среди прочего ,$CP$нарушение. Но практически каждая модель, содержащая достаточно$CP$нарушение, чтобы предсказать нашу наблюдаемую асимметрию вещества/антивещества, также предсказывает постоянные электрические дипольные моменты для протона, электрона и нейтрона, которые намного превышают текущие пределы. Это то, что группы Хадсона и Демилля измерили в новостях, которые вы нашли. Я подумал, что объяснение Демилля в вашей первой ссылке было довольно хорошим.

Электроны и такие мелочи :-) управляются квантовой механикой. Квантовая механика очень сильно отличается от классической, ньютоновской механики и от нашей интуиции, основанной на нашем опыте.

В КМ, хотя электрон рассматривается как точечное тело, у него нет точного местоположения. Вместо этого его положение описывается волновой функцией с именем$\psi(r)$. Это комплексное скалярное поле, интерпретируемое в пространстве, поэтому мы можем описать его как$\mathbb{R}^3\rightarrow\mathbb{C}$. Что делает картину действительно интересной, так это то, что эта волновая функция имеет комплексные значения. Квадратичная абсолютная величина ($\psi\psi^*$) то же есть распределение вероятности нахождения электрона на конкретном месте.

интеграция$\psi\psi^*$на объеме дает вероятность того, что электрон существует в этом объеме.

В качестве классической интуиции мы могли представить, что электрон как бы представляет собой некое подобие «облака» с различной плотностью в пространстве. В качестве возможной интерпретации «формы электрона» мы можем представить себе волновую функцию или распределение вероятностей, или мы можем даже представить себе это «облако».

Ну, мы могли бы даже вычислить это, хотя это не самые простые расчеты. И из вычисленных изображений плотности мы можем создавать видимые изображения. Так:

Это электронные формы вокруг атомных ядер. Но есть и очень разные распределения, например, свободный электрон в эксперименте с двумя щелями имеет совсем другую волновую функцию.

Никто никогда непосредственно не видел электрон, и вполне возможно, что никогда и не увидит. Думать о нем как о маленьком блестящем шарике для пинбола — такая же ошибка, как и думать о нем как об абстрактной бесконечно малой «точке» с определенными свойствами. Чтобы добавить путаницы, в зависимости от того, как вы «смотрите» на электрон, он может казаться частицей (подразумевая некоторый конечный размер и определенную форму) или волной. В качестве волны можно говорить об «облаках» электронных орбиталей вокруг атома, которые являются не физическими вещами, а представлением вероятностей. Взгляд на электрон как на шар для игры в пинбол или как на волну/облако может быть полезен в определенных ситуациях, но не является абсолютной истиной.

Короткий ответ: нет, у электронов нет «формы», по крайней мере, в смысле «это похоже на пинбол или…».

Каково ваше определение формы? И в какой степени эта информация актуальна для вас? Если бы я сказал вам, что электроны на самом деле имеют форму пирамиды, каким образом это изменило бы ваше взаимодействие со вселенной? Хотя поводом для подобных вопросов служат аналогии (субатомные частицы часто изображаются в виде отчетливо окрашенных сфер), я попытаюсь указать именно на это, используя аналогию.

Здания можно классифицировать по типам. Как небоскреб, церковь, замок, бунгало, что угодно. Какой будет наименьшая структура, при которой назначение типа здания по-прежнему будет иметь для вас смысл. Какое здание вы бы назвали одним кирпичом? Конечно, я могу представить себе биолога, изучающего муравьиные колонии, приписывающего это свойство кирпичу, потому что в данном контексте это важная информация.

Все те изображения, о которых говорилось в предыдущих ответах, имеют отношение только к соответствующим областям исследования и не имеют ничего общего с вашей концепцией формы. Поэтому вместо того, чтобы спорить об определениях формы, вы должны спросить себя, актуален ли для вас этот вопрос?

С другой стороны, предположим, что вы участвуете в обычном матче по боулингу и вам нужно использовать только кубические шары, а не сферические. Даже не попробовав шар для боулинга в форме куба, можно с уверенностью сказать, что это окажет (по крайней мере некоторое) значительное влияние на то, как вы взаимодействуете с шаром.

Электрон не точечная частица. Точечные частицы не существуют. Мир управляется квантовой механикой, которая описывает физические системы в терминах квантово-механических наблюдаемых, которые представлены эрмитовыми операторами. Различные наблюдаемые представляют разные способы взаимодействия с данной системой и копирования информации из нее. Например, фотоумножитель может быть полезен для определения того, имеется ли в какой-то области энергия, равная N фотонам, для некоторого значения N.

Если вы рассматриваете некоторую конечную область, вы можете измерить наблюдаемую, которая даст вам информацию о том, есть ли электрон в этой области. Но эта область не может быть сколь угодно маленькой. Одно из ограничений заключается в том, что измерение в меньшей области требует приложения большей энергии к этой области, и в какой-то момент энергия, необходимая для этого, настолько велика, что создает черную дыру. Могут быть и другие физические ограничения, которые сработают, прежде чем вы доберетесь до этого уровня.

Как следует интерпретировать заявления о форме электрона? Такое утверждение означает, что когда мы измеряем, находится ли электрон там, где электрон, с некоторой высокой точностью, мы получаем сферическое распределение результатов с некоторой точностью, достаточной для того, чтобы исключить какую-либо суперсимметричную теорию.

Вы можете подумать что-то вроде: «Можем ли мы сказать, что электрон действительно находится в какой-то конкретной точке, но не в других, и мы просто не можем точно сказать, где он находится?» Эта идея не соответствует действительности, потому что, если вы хотите предсказать последующую эволюцию электрона, вы должны учитывать наблюдаемые, которые не представляют электрон как находящийся в одной конкретной точке, например импульс, поскольку эти наблюдаемые появляются в гамильтониане.

Утверждение, что электрон не имеет известной подструктуры, верно, но это означает не то, что электрон находится в определенной точке, а просто то, что у него нет подсистем, которые могут изменяться независимо. Составная система, такая как biro , не обладает этим свойством. Вы можете вынуть чернильную трубку из ручки и перемещать ее независимо от пластиковой оболочки. Но, насколько известно, с электроном нельзя сделать ничего аналогичного.

Некоторый соответствующий материал см.

http://arxiv.org/abs/1204.4616

http://vimeo.com/5490979

http://arxiv.org/abs/quant-ph/9906007

http://arxiv.org/abs/1109.6223

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0104033 .

Да, электроны, как квазичастицы, созданные окружающей средой, имеют форму, зависящую от состояния (и другие свойства, зависящие от состояния).

В КМ форма может быть хорошо определена в экспериментах по рассеянию. Например, упругое рассеяние быстрой заряженной частицы на атоме связано с невозмущенными волновыми функциями атома, а для водорода как мишени, например, обнаруживается знаменитая$a_0$с некоторыми кинематическими переменными в поперечном сечении.

Аналогично и для электрона как мишени получается некоторое сечение, но уже неупругое , а еще точнее, инклюзивное, поскольку те виртуальные частицы, которые «одевают» реальный электрон, настолько слабо с ним связаны, что чисто упругое сечение ноль - нельзя толкнуть электрон и не возбудить его "одежку". Так как перевязка сильно зависит от размеров (свойств) окружающей среды, можно получить разные инклюзивные картинки. Например, «кулоновский центр» — это конкретное инклюзивное изображение. Для частично инклюзивного сечения есть некоторые факторы, зависящие от разрешения детектора (также особенность окружающей среды).

Многие народы не понимают значения волновой функции и особенно ее граничных условий как упрощенных решений огромной экологической проблемы КМ и концентрируют свое внимание на одном возбуждении, думая о нем как о чем-то отдельном и неизменном («фундаментальном»).