Внутренняя структура электрона

Это отличный вопрос!

К сожалению, единственный честный ответ: «Это то, что мы видим в природе, с большой точностью и полной воспроизводимостью». Глубокого теоретического понимания нет.

Более экзотическая форма вашего вопроса сформулирована в терминах собственной энергии электрона, и это вопрос, который мучил нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана всю его жизнь. Сначала он попытался представить, что поле, которое исходит от электрона, просто не было замечено самим электроном, примерно так же, как женщина, стоящая на высоком плато, не может «увидеть» свой собственный рост, поскольку с того места, где она стоит, все вокруг нее плоская.

Это не сработало. Это действительно случайно привело его к некоторым методам решения проблемы, которая принесла ему Нобелевскую премию, но его собственные выводы позже в жизни заключались в том, что он и все остальные потерпели полную неудачу и что собственная энергия электрона по-прежнему оставалось загадкой. Это продолжается.

Так почему эта проблема так сложна?

Вы довольно хорошо выразили это в своем вопросе: если одинаковые заряды отталкиваются, то почему электрон просто не разорвется на части? В конце концов, если вы возьмете сотню маленьких отрицательно заряженных объектов и попытаетесь столкнуть их вместе, потребность в энергии будет только увеличиваться по мере того, как вы будете сталкивать их ближе друг к другу. Для бесконечно малого точечного объекта, такого как электрон, эта энергия стремится к бесконечности! Итак, точечные частицы и заряды просто плохо сочетаются друг с другом... но половина зарядов в нашем мире состоит именно из таких частиц! И даже у протонов есть своя версия проблемы из-за трех точечных кварков, которые скачут внутри них.

Вот несколько иной способ визуализации проблемы собственной энергии. Мне это нравится, потому что, когда я был ребенком, я любил затыкать большим пальцем открытый конец водяного шланга, чтобы посмотреть, как далеко и быстро я смогу выплеснуть воду.

Аналогия работает следующим образом: оказывается, электрическое поле можно с удивительной точностью смоделировать, просто представив положительный заряд в виде конца шланга, извергающего фиксированное количество литров воды в секунду в бассейн с водой (пространство ). Затем отрицательный заряд становится концом шланга другого типа, который всасывает воду из бассейна с той же скоростью. Джеймс Клерк Максвелл , один из самых гениальных физиков за всю историю человечества, был одним из первых, кто заметил эту аналогию. Вот почему «силовые линии» также иногда называют линиями «потока» (что означает «поток»). Максвелл хорошо использовал эту аналогию, чтобы вывести свои знаменитые уравнения Максвелла., с помощью которого он смог объединить магнетизм и статическое электричество в единую единую теорию сил. Именно Максвелл первым понял, что такое свет на самом деле, применив свою собственную теорию.

Вернемся к проблеме собственной энергии: вы когда-нибудь клали большой палец на конец трубы, которая хочет извергать воду с фиксированной скоростью, независимо от того, насколько маленькое отверстие? Что происходит, так это то, что вода ускоряется и становится гораздо более мощной. Шланг, который мягко сбрасывает воду при открытии диаметром в несколько сантиметров, становится крошечным, но удивительно мощным пожарным шлангом, когда большая часть этого отверстия заблокирована. Медленный поток становится микропотоком, скорость которого настолько высока, что он может разрезать мягкие предметы.

Представьте себе размер этого конца шланга размером с электрон. Если это большое открытие, нет проблем. Вы получаете полный поток, даже не достигая экстремальных скоростей.

Но что, если вы начнете делать конец шланга все меньше и меньше? Он по-прежнему должен производить такое же количество литров в секунду, поэтому, как если бы вы приложили большой палец к концу большого отверстия и попытались его заблокировать, поток воды ускорился . Чем меньше отверстие, тем более экстремально увеличивается скорость, например, сокращение размера выпускного отверстия вдвое приводит к удвоению скорости воды, чтобы она могла не отставать. То же верно и для электрона, только «сила» поля заменяет «скорость» воды, а «линии поля» заменяют путь течения воды.

Итак, если вы уменьшите размер «выходного отверстия» (будь то конец шланга или размер электрона) до точки, что произойдет?

Легко: скорость достигает бесконечности... чего, конечно же, быть не может! Бесконечные скорости невозможны даже для воды, которая ограничена скоростью света. Им потребуется неограниченная энергия только для того, чтобы приблизиться к скорости света.

Не лучше обстоит дело и с точечными заряженными частицами, которые также должны приобретать плотности поля (вспомните скорость), стремящиеся к бесконечности. В двух словах, это еще один способ немного более наглядно понять, почему внутренняя энергия такая жесткая.

Итак, учитывая все сказанное, вполне возможно, что когда-нибудь появится теория, которая действительно объясняет такие вещи — глубоко объясняет их, таким особым образом, что дает людям, читающим ее, это крутое маленькое «вау, теперь я наконец понял! » ощущение, что все, наконец, сходится?

Ну, не сейчас. Теория струн на самом деле не беспокоится о таких проблемах, и на самом деле, возможно, усугубляет эти проблемы, изображая все как крошечные струны, собственная энергия которых довольно астрономична. Теория Харари-Шупе Ришона больше похожа на хорошее организационное наблюдение, чем на теорию (вспомните периодическую таблицу), но все, что она делает, это делает все точечные заряды на одну треть зарядами электрона. Я не знаю , пытался ли когда-нибудь Гаррет Лиси решить проблему собственной энергии в своей замечательной теории E8 , но она, по крайней мере, позволила бы взглянуть на проблему под новым углом и пролить на нее новый свет.

Итак, еще раз: Отличный вопрос, но, увы, пока никто не может на него ответить! Но кто знает, кто-то, читающий этот ответ, может когда-нибудь решить эту проблему - почему бы и нет? Да, это очень трудная задача... но тогда большинство людей понятия не имеют, на что они действительно способны, если у них есть способности к физике, они действительно заинтересованы и готовы упорно над ней работать.

Электрон стабилен (из POV КТП), потому что нет частицы с меньшей энергией (в Стандартной модели), на которую он может распасться, сохраняя при этом все известные законы сохранения.

Что касается «всплеска», то этот вопрос исходит из классического взгляда на электрон, который неверен, поскольку мы знаем из квантовой механики, что электроны также ведут себя как дуальные частицы-волны. Вы можете преобразовать массу электрона в энергию и рассчитать, каким будет радиус заряженной сферы (или сферической поверхности) с полным зарядом.$-|e|$чтобы они имели одинаковую энергию, но это давало бы только классический радиус. Вблизи и внутри этого радиуса вам понадобится QM или QFT для описания электрона. И с точки зрения КТП мы не видели, чтобы электрон вел себя иначе, чем точечная частица (когда мы наблюдаем его как частицу), независимо от того, насколько близко мы его «прощупываем».

Что касается заряда, я бы описал его как наблюдаемую, измеримую и скалярную величину. (Это также сохраняется из-за U(1)-симметрии E/M.) Возможно, это не лучший ответ, но именно так я подхожу к этому вопросу.

Если мы вычисляем энергию, необходимую для сборки электрона из тонко раскинувшегося облака заряда, как e, то e почти равно массе покоя электрона. (Это с учетом экспериментального размера электрона из экспериментов по столкновению и однородной плотности заряда в электроне). Хотя эта информация не объясняет стабильность электрона... дает некоторую картину, т.е. это концентрированная энергия. Спин и магнитные поля могут быть основной причиной связывания, что приводит к квантово-волновой теории.