Заряд

Упорядоченное движение электрич. 3. создаёт электрич. ток, сила к-рого определяется как количество заряда, протекающего через сечение данного проводника за ед. времени. С точки зрения теории эл.-магн. поля не следует говорить о взаимодействии 3. между собой. 3. создают вокруг себя поле; сила, действующая на 3., - это сила, с к-рой 3. взаимодействует с полем. При этом в электростатич. явлениях играет роль взаимодействие заряда (q₁) с полем, созданным другим 3. (q₂). Движущиеся 3., т.е. электрич. токи, создают также магн. поля и взаимодействуют с ними. Комплекс взаимодействий электрич. 3., токов и полей описывается ур-ниями Максвелла. Эти ур-ния неизбежно приводят к закону сохранения электрич. 3., согласно к-рому изменение 3. в данном объёме (теле) за определённое время равно разности втекающих и вытекающих из него токов, умноженной на это время.

После открытия электронов, несущих отрицательный электрич. 3. Кл, и положительно заряженных протонов р с зарядом той же величины (а также ядер, содержащих различное число протонов) стала возможной новая трактовка 3.: электрич. 3. данного тела равен разности числа протонов и числа электронов, умноженной на 3. электрона (или протона). При этом электрич. ток равен разности потоков этих же частиц, с тем же множителем. Закон сохранения электрич. 3. стал тривиальным следствием представления о том, что электроны и протоны стабильны, не исчезают и не возникают, а лишь перемещаются из одного места в другое.

На следующем этапе развития физики были открыты процессы превращения элементарных частиц, напр. распад нейтрона n или аннигиляция пары электрон-позитрон Принцип соответствия требовал, чтобы эти процессы не нарушали действующий в макрофизике закон сохранения электрич. 3. Отсюда следовал вывод, что в каждом элементарном акте этот закон выполняется и, в частности, что электрич. 3. нейтрона и нейтрино в точности равен нулю, поскольку нейтрален атом водорода и 3. электрона по абс. величине в точности равен 3. протона. Сохранение электрич. 3. в процессах аннигиляции требовало, чтобы электрич. 3. античастицы был равен взятому с обратным знаком электрич. 3. частицы. Так, напр., суммарный электрич. 3. электрона и позитрона равен нулю.

В квантовой механике классич. понятия положения и перемещения частицы теряют свой смысл. Поэтому на смену классич. представлениям о плотности электрич. 3. и плотности тока (ток через единичное сечение проводника) приходят квантовомеханич. представления о плотности вероятности распределения 3. и потоке вероятности заряженных частиц. Изменение состояния заряженных частиц при их взаимодействии с эл.-магн. полем описывается в квантовой механике как переход из начального состояния частицы в конечное состояние . Возникает представление о 3. перехода и токе такого перехода.

Дальнейшее исследование элементарных частиц показало, что в их превращениях наблюдаются и др. закономерности, подобные сохранению электрич. 3. Для их описания вводят новые типы зарядов (не имеющих прямого отношения к взаимодействию с электрич. или др. дальнодействующим полем). Так, напр., вводят барионный 3. В, определяя его так, что В=+1 для протона и нейтрона и др. барионов, В= - 1 для антипротона, антинейтрона и др. антибарионов, В=0 для мезонов, лептонов, фотона. Во всех известных в настоящее время процессах барионный 3. сохраняется. В частности, стабильность нерадиоактивных ядер явл. следствием закона сохранения барионного 3., т.к. такое ядро явл. системой с миним. энергией при данном В. Аналогично можно рассматривать и сохранение лептонного 3., присущего лептонам (электрону, мюону, -лептону, всем сортам нейтрино и их античастицам). Имеющиеся опытные данные свидетельствуют в пользу существования трех видов лептонного 3.: электронного L_e, мюонного и -лептонного . Обычно принимают L_e=+1 для е^- и , L_e=-1 для е⁺ и ; для и , =-1 для и ; =+1 для и , =-1 для и . Для всех остальных частиц лептонный 3. равен равен алгебраич. сумме лептонных 3. входящих в неё частиц, и сохранение лептонного 3. означает, что разность между числами лептонов и их античастиц в процессах микромира должна сохраняться. Как 3., для к-рых в ряде процессов также можно применять закон сохранения, часто рассматривают квантовые характеристики адронов: странность, очарование, красоту. Все указанные 3. (барионный, лептонный и др.) существенно отличаются от электрич. 3., поскольку они не явл. источниками дальнодействующего поля (к дальнодействующим относят электрич. и гравитац. поля). Более точно эти 3. следует называть сохраняющимися квантовыми числами и соответственно говорить, напр., о барионном или лептонном числе.

Приближённый характер сохранения таких 3., как странность, очарование и др., приводит к тому, что имеющие их частицы явл. нестабильными относительно распада на более лёгкие частицы. В совр. теориях элементарных частиц сохранение барионного и лептонного 3. также явл. приближённым, что может привести, напр., к нестабильности протона. В отличие от указанных 3., электрич. 3. сохраняется точно, поэтому электрон (а также позитрон) должен быть абсолютно стабильным.

Совр. квантовая теория поля на основе обобщения понятия электрич. 3. стремится описать в рамках единых представлений сильное, слабое и эл.-магн. взаимодействия элементарных частиц (см. Великого объединения модели). Эти обобщения основаны на развитии динамич. аспекта электрич. 3. как источника эл.-магн. поля. В единой теории эл.-магн. и слабого взаимодействий (электрослабого взаимодействия) 3. слабого взаимодействия явл. источниками соответствующих (W-бозонных, Z⁰-бозонных) полей. В теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамике - вводят три вида цветовых 3., они явл. источниками соответствующих цветовых (глюонных) полей.

Обобщённые 3. и соответствующие токи в моделях великого объединения явл. 3. и токами квантовых переходов, в к-рых меняется не только состояние частицы - меняется сама частица. Такие токи наз. заряженными, поскольку в квантовом переходе меняется 3., уносимый рождающейся заряженной частицей. В этом смысле эл.-магн. ток квантовой электродинамики явл. нейтральным: в эл.-магн. квантовых переходах между состояниями электрически заряженной частицы электрич. 3. не меняется и испускается электрически нейтральный фотон. Цветовые 3. сильного взаимодействия связаны с цветовыми токами перехода между различными цветовыми состояниями кварков. В таких переходах не меняется тип кварка и, следовательно, его электрич. 3. Однако цвет кварка в таком переходе меняется. Изменение цвета кварка в цветовом токе компенсируется испусканием глюона, обладающего цветовым 3.

Совр. теория предполагает, что на очень малых расстояниях (~ 10^-14-10^-16 см) имеется полная эквивалентность взаимодействий 3. слабого взаимодействия и цветовых 3., они взаимодействуют по закону, аналогичному закону Кулона (*). Однако с увеличением расстояния закон их взаимодействия меняется. В слабом взаимодействии существенную роль начинают играть эффекты, связанные с большой массой промежуточных W и Z⁰-бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Глюоны - переносчики сильного взаимодействия между кварками - могут взаимодействовать и друг с другом, т.к. обладают цветовым 3. (подобное взаимодействие у фотонов, не несущих электрич. 3., отсутствует). Цветовое "самодействие" глюонов приводит к тому, что, начиная с нек-рого расстояния, наступает конфайнмент (удержание цветовых 3.): частица, обладающая цветовым зарядом (глюон, кварк), может выйти из области удержания только после полной компенсации её цветового 3. - в форме бесцветных (белых) адронов. Экспериментальный факт отсутствия свободных частиц, несущих цветовой 3., квантовая теория поля связывает с ростом эффективного цветового 3. между кварками с увеличением расстояния (антиэкранировкой 3.). Увеличение 3. препятствует взаимному удалению кварков на значит. расстояние, они обладают относительной свободой перемещения лишь на достаточно малых расстояниях (r< 1 ферми).

В рамках моделей великого объединения взаимодействия 3. всех известных видов (кроме гравитационного) при энергии частиц 10¹⁴-10¹⁶ ГэВ оказываются сравнимыми по величине. Такие модели, в частности, позволяют объяснить дискретную природу электрич. 3. (наличие элементарного электрич. 3.). Неизбежным следствием этих моделей явл. существование частиц с магн. 3. - магнитных монополей (идея о возможном существовании магн. монополей была высказана ещё в 1931 г. англ. физиком П. Дираком, он основывался на квантовании электрич. 3.). Предполагаемая масса магн. монополей составляет ~ 10¹⁶ ГэВ, так что они могли бы образовываться только на очень ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергия всех частиц была высока.

(Я.Б. Зельдович, М.Ю. Хлопов)