Czy cząstki elementarne są punktowe?

Pytanie

Pyta Robert

Od początku mojej edukacji wyobrażałem sobie cząstki elementarne jako infinitezymalne ziarenka materii, obdarzone właściwościami czterech podstawowych sił oraz innymi atrybutami (spin, pęd, itp.). Jednakże wciąż byłyby to ziarenka o określonym wymiarze. Zastanawiam się od jakiegoś czasu, czy istnieje teoria z zakresu fizyki, która sprowadzałaby ten wymiar do zera. Czy można wyobrazić sobie cząstkę elementarną jako wirtualny, zerowy co do wymiaru (niczym w geometrii euklidesowej) punkt w przestrzeni, do którego „podpięty” jest zbiór właściwości? Czy nie prościej byłoby tłumaczyć przedziwne zjawiska zachodzące w świecie kwantowym? Czy możliwe jest, że materia rozumiana jako ziarna nie istnieje?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Wiele ze znanych nam cząstek (np. elektron, foton) traktujemy w opisie teoretycznym jako cząstki punktowe, o zerowym rozmiarze. Jednocześnie opisujemy te cząstki kwantowo, tj. ich funkcja falowa jest różna od zera wszędzie tam, gdzie dana cząstka może się w danej chwili znaleźć, czyli w obszarze o skończonej objętości. Własności cząstek (ładunek, spin, pęd) wprowadzamy do formalizmu matematycznego jako własności ich funkcji falowych, a nie cząstek punktowych jako takich. Nie wiemy, czy nasza teoria cząstek punktowych jest fundamentalna, czy też jest tylko przybliżeniem do teorii strun, w której fundamentalne obiekty (struny) mają skończony (choć bardzo mały) rozmiar.

Zarówno w teorii cząstek punktowych, jak i w teorii strun materia ma ziarnisty charakter. Czy możliwe jest opisanie fizyki bez odniesienia do ziarnistej struktury materii? Sądzę, że tak. Nawet obecną teorię oddziaływań fundamentalnych można (a nawet wygodniej jest) formułować bez wyjściowego odniesienia do cząstek punktowych, lecz w sposób, w którym podstawowymi obiektami są pola kwantowe przyjmujące niezerowe wartości w całej przestrzeni. Przy tym sformułowaniu cząstki punktowe pojawiają się jedynie jako pojęcia wtórne, wprowadzone tylko po to, aby w sposób wygodny dla człowieka werbalizować wnioski fizyczne z obliczeń przeprowadzonych w ramach kwantowej teorii pola.