電子と陽子の電荷が等しいのは何故

質問

電子と陽子の電荷が、正負が逆で、完全に一致しているのは、何故なのでしょうか。
　理論的に導き出されているのでしょうか、それとも、実験的に、極めて良い一致をしていることが確認されているだけなのでしょうか。
　理論的に導き出されているのなら、その理論について、教えていただけるとありがたいと思います。

回答No.10

grothendieck

電子とクォーク電荷の関係のもう一つの説明は大統一理論で与えられます。例えばSU(5)大統一理論から電子電荷とuクォーク電荷の関係が
　3Qu + Qe =0
となることが言えます。(例えばCheng, Li, Gauge theory of Elementary Particle Physics, p.431)

回答No.9

grothendieck

ABJアノマリーにより異常ワード恒等式が存在すると標準理論のくりこみ可能性が壊れてしまいます。SU(2)の表現行列をTa等とすると"異常項"はtr[｛Ta,Tb｝Tc]に比例するのでフェルミオンの電荷について
　ΣQi = 0
が導かれます（教科書や先にあげたサイトをご参照ください）。第1世代の電荷についてQe=-1, Qν=0, Qu=2/3, Qd=-1/3 で、さらにクォークにはカラー自由度３があることを用いると
　ΣQi = -1 + 0 + 3×(2/3 -1/3) = 0
なので各世代についてアノマリー打消しの条件が成立していることが分かります。「こうなっていてくれなければ困る」という条件を求めてみるとまさにその条件が成立するように成っていたわけです。しかしなぜこれが成立しているのかは現在に理論では説明されないので、謎はより深まったと言うベキかもしれません。しかしレプトン電荷とクォーク電荷に上のような関係式があることを認識するのは重要なことです。

回答No.8

noname#111804

それでそのゲージ理論であるが、電子について何かわかったのですか？
もし、わかったと言うなら

電子一個の
・質量
・体積
・形状
を答えてください。

わからないと思いますよ。永久にわからないでしょうね。
電子の性質が不思議なんですよ。だから永久にわからないと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます、、と申し上げたいところなのですが、上の文書は、私の質問に関する物でしょうか、それとも、どなたか他の方の書き込みに関する物なのでしょうか。
　もし、どなたか、他の方相手なら、明記していただけるとありがたいと思います。
　私の質問に関してでしたら、電子の電荷（陽子の電荷）の値（観測値）に関する質問ですので、それについて、お教えいただけるとありがたいと思います。
　「電子の性質が不思議」であるのは、確かであると思いますが、だからといって、「永久に分からない」かどうかは、分からないと思います。
　他の方の書き込みに、訂正を加える、再質問する等の事も、普通はここですべきことではないかも知れませんが、私は、構わないと思っております。説明や理解に間違ったところがあれば、指摘していただければありがたいと思います。

回答No.7

雪中庵（@psytex）

「場の量子化によるアノマリーでの対称性の破れ」という準古典的な問題を提起される場合もあるかと思います。
量子化された真空において、相互作用が無限大に相乗されたり、逆に相殺されたり（“元の”値が無限大である必要が生じる）する現象です。

これのどこが「準古典的」かというと、観察者とは別に外に独立した存在があり“結果的に相互作用する”という、いわゆる素朴唯物論的な（量子化されていない）世界像を先入化しているのです。

量子論的な世界像では、元々が「無限発散」であり、観察されることで有限な性質＝存在性を派生させるのです（相互作用＝認識ありき）。
そして、そうした「存在性」が、超弦理論（やDブレーン理論）によって量子性のみに還元された時、既にアノマリーの問題は過去のものとなったのです。

アインシュタインが量子性の本質化に頑強に反対したように、ある研究に優れた学者も自分の研究以外については旧弊に陥りがちなものです。
世間的には、まだまだ教科書レベルの知識で語る人もおられますが、それも物理学の歴史を伝えるものとして、参考にして下さい。

お礼

説明ありがとうございます。
　少々難解なので、十分に意味がくみ取れないので、申し訳ありません。
「場の量子化によるアノマリーでの対称性の破れ」について調べて見たいと思います。
　相手と相互作用することによってのみ、観測（認識）が成立するのであるが、その観測という行為によって、ある有限な性質を派生させるというのは、その通りだと思います。全く相手に干渉を与えないような、外部の独立の存在というのが、実際に存在しない事も分かります。
　思考実験ではあり得るかも知れませんが、その思考実験ですら、「相互作用をせずに観測する事が出来る」という仮定を用いることが無意味であるとなっていると思います。
　最後の、アインシュタインのくだりも、有名な話であると思います。進歩した科学は魔法と区別が付かないかも知れませんが、その時代には考えられなかったことが時代と共に分かってくるのが科学の醍醐味であるとも思っています。
　アドバイスありがとうございます。

回答No.6

grothendieck

何故クオークの電荷が、±1/3e,±2/3e と、別物であるはずの電子の電荷eと綺麗な関係を持っているのかについてはアノマリー打消しから説明されています。ゲージ理論は，量子補正を考えるとゲージ対称性が壊れる，ということが起こります。この現象を一般にアノマリーとよぶ。理論が無矛盾であるためには，アノマリーは全体としては消えていなければならない。たとえば素粒子の標準理論では，クォークによる量子補正がアノマリーを出すが，レプトンによる寄与によってちょうど相殺されゼロになっている。偶然にしては“奇跡的”と言われています。Anomaly cancellationは現代物理学で重要なテーマになっています。
このサイトにはノーベル賞受賞者を無知呼ばわりするという大変な権威とか、素人には逆の意味にしか読み取れないような深い含蓄を垂れる「専門家」とかがいらっしゃいますが、どうしてこの程度のことをお答え頂けないんでしょうね。

参考URL：

http://www.physics.buffalo.edu/gonsalves/phy522/lectures/lec-7.pdf

お礼

ありがとうございます。
　ご説明いただいた、
＞たとえば素粒子の標準理論では，クォークによる量子補正がアノマリーを出すが，レプトンによる寄与によってちょうど相殺されゼロになっている。偶然にしては“奇跡的”と言われています。Anomaly cancellationは現代物理学で重要なテーマになっています。
＜
　の部分ですが、これは、「偶然にしては、良くできすぎているので、その理由を解明する研究がなされている。」
　つまり、「理論的にはまだ、未解明である」
　と考えてよろしいのでしょうか。
　勉強不足で申し訳ありませんが、もう少し勉強してみたいと思います。また、上記の文意解釈に誤解がありましたら、ご指摘いただけるとありがたいと思いますので、よろしくお願いいたします。

回答No.5

noname#111804

電子と陽子の電荷と言うこと自体が意味がありません。
なぜなら一個の電子が確定していないからです。

回答No.4

雪中庵（@psytex）

電磁力に限らず、強い相互作用、弱い相互作用、重力の
４つの力がありますが、その本質はゲージ粒子の交換
（確率分布における「フタマタ」の引き寄せ）によります。
つまり、「力」は単体の属性ではなく、相互作用において
のみ実体を持つ＝ゲージ粒子の交換によるものであれば、
「異なる力を持つ」ことは不可能です。
（マクロの世界で可能なのは、そうした力の単位の集積だから）

「電子と陽子は逆の等しい電荷」というだけでなく、
「電子と反陽子は等しい電荷」を持っているなど、
基本的に素粒子の世界は「単位」に基づいています。
それは、全ての根源であるエネルギーに、既に量子という
「単位」があり、全ての素粒子が、その量子性に基づく振動に
過ぎないという「超弦理論」に由来します。

お礼

ありがとうございます。
　なるほど、難しい数学的理論は別として、全てに「超弦論に基づく量子的な単位」があり、それ以上は不可分である、と考えれば、陽子と電子の電荷が±逆なだけで、正確に等しくなることが理解できますね。
　科学の進歩の順から言って仕方ないことなのでしょうが、クオークの持つ電荷を±１に定義しておけば、電子の電荷は±３という、正確な整数倍になるので、そんなに不思議に感じないかも知れません。
　電荷にも基本単位がある、という、考えてみればごく当たり前の話を見過ごしていた所に問題の本質があるということで、良いのでしょうか。
　アドバイスありがとうございます。難解な数学の世界に落ち込んで沈没しないで済みそうです。（本当は、数学的な基礎も必要なんでしょうが。）

回答No.3

noname#160321

クォークの電荷も±1/3と±2/3なので、たしか素粒子論から導き出される値だったと思います。
なおクォークは二つないし三つ集まり、素粒子の電荷はゼロか±１の自然数倍になります。
それ以上詳しくは知りません。

お礼

ありがとうございます。
　陽子、中性子の電荷が、＋１ないし０であることは、クオークの理論から分かるのですが、「何故」クオークの電荷が、±1/3,±2/3 と、別物であるはずの電子と綺麗な関係を持っているのか分からないのです。
　この辺は、素粒子論の電弱相互作用のあたりの所に答えがありそうなんですが、専門的すぎて、ほとんど理解できません。
　引き続き勉強してみます。アドバイスありがとうございました。

回答No.2

htms42

中性子が陽子と電子に分裂するということから考えると
電荷の絶対値は等しくないといけません。
近似的に等しいというのであればその半端の電荷を持つ微粒子が存在しているということになります。そういう素粒子は発見できていないはずです。
そういう素粒子があるとしたら電荷の大きさが決まっているはずです。
その電荷は陽子の電荷に比べてかなり小さいはずです。電荷の最小単位はその素粒子の持つ電荷の大きさ程度になるはずです。

陽子の質量と電子の質量をあわせても中性子の質量にはなりません。
この質量の差はエネルギーになっています。
電荷の半端がエネルギーになるということはないと思いますから電荷の半端が生じるということは起こらないはずです。

もともとの中性子の電荷＝０も近似的に０という意味になってしまう可能性がありますが、そういうこともなさそうです。

これ以上は専門の方にお願いします。

お礼

ありがとうございます。
　確かに、中性子が、陽子と電子＋反電子ニュートリノと0.78MeV　に分裂することを考えると、中性子が名前のとおり、厳密に電荷が０（勿論ニュートリノ類も）と考えると、正確に同じにならないといけない分けですよね。

　ただ、陽子、電子が、３つのクオークからなり、アップクオークの電荷が＋２／３、ダウンクオークの電荷が　－１／３となっている事から、陽子が、ｕｕｄ、中性子がｕｄｄ　であるところまでは分かるのですが、クオークから出来ている分けではない電子の電荷（正確に＋１）と、何故一致するのかが分からないんです。まあ、そういうと、何故クオークがそのような電荷を持つのかも分からないので、深みにはまってしまいそうですが。
　いずれにしても、もう少し勉強してみますので、アドバイスありがとうございました。

回答No.1

noname#106147

たぶん実験的に、極めて良い一致をしていることが確認されているだけだと思う。自身ない回答すいません

お礼

ありがとうございます。実験的に相違が発見されたという話は聞かないので、少なくとも、極めて良い一致が得られる事は確かなようですね。