Podobno elektron i kwarki nie mają rozmiaru. Jak to możliwe? Podobno są one cząstkami punktowymi bez rozmiaru – ale co to znaczy?Jeśli elektron nie ma rozmiaru, to czym on jest? Proton z kolei ma rozmiar – dlaczego on ma, a nie ma go elektron? Czy foton też nie ma rozmiaru? No i analogicznie nasuwa się wniosek, że jeśli elektron nie ma rozmiaru, to dlaczego osobliwość czarnej dziury miałaby mieć rozmiar? Skoro coś takiego jak elektron może nie mieć rozmiaru, to dlaczego osobliwość nie mogłaby być nieskończenie gęsta i mała?
Jaki jest rozmiar cząstek elementarnych?
Pytanie
Odpowiedź
Odpowiadają Szymon Augustynowicz i Michalina Broda, konsultacja: prof. Mikołaj Misiak.
Istotnie, w Modelu Standardowym cząstek elementarnych, elektron i kwarki są obiektami punktowymi. Oznacza to, że pominięcie rozmiaru elektronu w rachunkach daje przewidywania zgodne z eksperymentami. Nie pokazano jednak, że rzeczywiście elektron jest ciałem punktowym. Według eksperymentalnych oszacowań, promień elektronu musi być mniejszy od 1 am (1 attometr). Warto podkreślić, że nie możemy traktować elektronu zwyczajnie jak kulki obdarzonej ładunkiem – według mechaniki kwantowej, rozmiar elektronu odpowiada „rozmiarowi” jego paczki falowej. Badając dokładniej jego położenie tracimy na dokładności pomiaru jego pędu, czego wynikiem jest wielka trudność zmierzenia jego rozmiaru eksperymentalnie.
Już w latach 90. XX wieku przeprowadzonych zostało wiele pomiarów promienia protonu. Wykorzystywane były dwie metody: spektroskopii atomowej oraz rozpraszania jądrowego. Okazało się, że średni wynik tych pomiarów – ok. 0.88 fm był znaczenie wyższy (o ok. 4%) od nowej wartości (opublikowanej w 2010 r.), otrzymanej badając przesunięcie Lamba atomu wodoru z elektronem zastąpionym cięższym odpowiednikiem – mionem. Problem ten nazwano z ang. „proton radius puzzle”. Ten niższy wynik, czyli 0.842 fm, został potwierdzony z pewną dokładnością późniejszymi eksperymentami. Uznana górna granica promienia elektronu określa obecne możliwości technologiczne.
Podobnie jak w przypadku elektronu, nie obserwujemy odstępstw od przewidywań Modelu Standardowego, który opisuje fotony jako cząstki punktowe.
W przypadku osobliwości czarnej dziury, powiedzmy Schwarzschilda (najprostszy przypadek), w ogólnej teorii względności wydaje się ona być punktowa. Należy podkreślić, że możemy zaufać ogólnej teorii względności tylko w pewnej odległości od środka czarnej dziury, ponieważ nie bierzemy pod uwagę efektów kwantowych. Spekuluje się, że w kwantowej teorii grawitacji, kwantowe efekty powstrzymają zapadającą się gwiazdę przed utworzeniem takiej punktowej osobliwości. Innym ważnym aspektem jest problem w określeniu punktowości za horyzontem zdarzeń.