Электрон был первой открытой элементарной частицей (открыт Дж. Томсоном в 1897 году). Масса электрона — одна из фундаментальных физических констант. Точное значение массы:
– 9,1093837139⋅10–31 кг.
– 0,51099895069 МэВ (в энергетических единицах).
– 5,485799090441⋅10–4 а.е.м.
Электрон примерно в 1836 раз легче протона и это самая легкая заряженная частица среди всех известных. Время жизни электрона — одна из фундаментальных характеристик этой частицы. Вот что известно о нём:
Стабильность электрона:
– Электрон считается абсолютно стабильной частицей.
– Теоретически обосновано: электрон — наименее массивная частица с ненулевым электрическим зарядом.
– Распад электрона невозможен без нарушения закона сохранения заряда.
Экспериментальные данные:
– Нижняя граница времени жизни электрона составляет 6,6 × 10²⁸ лет.
– Это значение установлено с достоверностью 90 %.
– На данный момент нет никаких экспериментальных свидетельств распада электрона.
Если возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиардов лет, то электрон может существовать как минимум в 4,7 триллиона раз дольше! Это, как если бы Вселенная существовала всего одну секунду, а электрон мог бы прожить более 13 лет. Такая стабильность обеспечивается тем что электрон является фундаментальной частицей, не имеет внутренней структуры, его распад нарушил бы закон сохранения заряда (пока неизвестны пары частиц с противоположными зарядами, но меньшей чем электрон массой иначе закон сохранения энергии тоже нарушался бы), нет более лёгких заряженных частиц, в которые он мог бы распасться
В Стандартной модели физики элементарных частиц электрон классифицируется как фундаментальный фермион (класс элементарных частиц, характеризующихся полуцелым спином) со спином. Спин — это собственный момент вращения элементарной частицы. В случае электрона он равен
Электрон не состоит из кварков (элементарные частицы, которые, в свою очередь, являются строительными блоками для протонов и нейтронов, входящих в состав атомных ядер) и относится к классу лептонов (фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильных взаимодействиях (одно из четырёх фундаментальных взаимодействий природы, обладающее наибольшей интенсивностью по сравнению с другими и отвечающие в том числе за стабильность атомных ядер)) и является фундаментальной частицей, то есть не имеет внутренней структуры, состоящей из других частиц.
На данном этапе знаний мнение о том, что всё в мире — это следствие вакуума, отражает современные научные представления о фундаментальной роли квантовых флуктуаций.
Вакуум — это состояние с минимальной энергией, но не абсолютная «пустота», а набор квантовых полей, находящихся на низшем энергетическом состоянии и являющийся динамической системой, где даже в отсутствие реальных частиц, происходят:
– Квантовые флуктуации полей (кратковременные отклонения от среднего значения).
– Виртуальные частицы — краткоживущие возмущения, возникающие благодаря принципу неопределенности Гейзенберга (
Поля, следующие:
1. Электромагнитное поле
– Связано с фотонами.
– Постоянно возникают и исчезают виртуальные фотоны всех длин волн.
2. Гравитационное поле
– Отвечает за искривление пространства-времени.
– Находится в состоянии минимальных колебаний.
3. Поле Хиггса
– Обеспечивает механизм появления массы частиц.
– Находится в особом состоянии, обеспечивающем спонтанное нарушение симметрии.
4. Фермионные поля
– Включают электронные, мюонные и другие поля.
– Связаны с фермионами (кварками, электронами и т. д.).
5. Калибровочные поля
– Отвечают за фундаментальные взаимодействия.
– Включают поля, связанные с W- и Z-бозонами.
Эти поля не могут иметь энергию ниже определенного порога и постоянно взаимодействуют с друг другом.
Одна из составляющих этого набора полей является электронного поле, которое входит в группу лептонных полей (электронное поле (электроны), мюонное поле (мюоны), тау-поле (тау-частицы), поля нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Лептонные поля совместно с кварковым полем (объясняет существование кварков) имеют общее название «фермионные поля» (объясняют существование вещества). Поля первичны по отношению к частицам.
Электрон является квантом (возбуждением) электронного поля и обладает зарядом. Заряд — это фундаментальное свойство частиц, определяющее их способность участвовать в электромагнитном взаимодействии.
Вокруг электрона имеется электромагнитное поле (если стационарный случай, то поле электрическое, но при движении электрона поле электромагнитное). Электромагнитное поле имеется всегда и электроном оно не создается, а только «проявляет» его. В случае стационарного заряда (например, неподвижного электрона) взаимодействие с другими заряженными частицами описывается через обмен виртуальными фотонами. Эти частицы являются математическим инструментом в квантовой теории поля, который помогает объяснить электромагнитное взаимодействие. Виртуальные фотоны не существуют как отдельные объекты, которые можно наблюдать напрямую, но их «обмен» между зарядами приводит к возникновению силы Кулона. Когда электрон ускоряется (например, при движении в магнитном поле или при изменении его энергетического состояния), он испускает реальные фотоны. Эти фотоны переносят энергию и импульс, формируя электромагнитное излучение (радиоволны, свет, рентгеновские лучи и т. д.). Реальные фотоны можно детектировать, они имеют определённую частоту и энергию, и их взаимодействие с веществом хорошо изучено.
Виртуальные частицы — сложная тема. Вопрос о природе виртуальных частиц действительно вызывает дискуссии в научном сообществе. С одной стороны, они являются ключевым инструментом квантовой теории поля, позволяющим описывать фундаментальные взаимодействия. С другой стороны, их невозможно наблюдать напрямую, что порождает сомнения в их «реальности».
Виртуальные частицы как математический инструмент. Виртуальные частицы возникают в рамках теории возмущений, когда сложные квантовые процессы аппроксимируются с помощью ряда слагаемых. Каждое слагаемое в этом ряде можно интерпретировать как рождение и исчезновение частиц, которые не подчиняются обычным законам сохранения энергии и импульса. Эти частицы существуют лишь в уравнениях и диаграммах Фейнмана, где они изображаются пунктирными линиями, символизирующими временные состояния.
Аргументы в пользу математической природы:
– Виртуальные частицы не могут быть зарегистрированы детекторами, так как их время жизни слишком мало (порядка 10⁻²⁴ секунд).
– Их свойства, такие как отрицательная масса или нарушение соотношения
– В точных выражениях квантовой теории поля виртуальные частицы не фигурируют — они появляются только при упрощении расчётов.
Физические проявления виртуальных частиц. Несмотря на свою «ненаблюдаемость», виртуальные частицы оказывают измеримое влияние на физические процессы. Это позволяет некоторым учёным утверждать, что они отражают объективные явления природы. Примеры эффектов, связанных с виртуальными частицами:
– Лэмбовский сдвиг — небольшое различие в энергетических уровнях атома водорода, вызванное взаимодействием с виртуальными фотонами.
– Эффект Казимира — притяжение двух незаряженных металлических пластин в вакууме из-за разницы в плотности виртуальных фотонов между ними.
– Отклонение быстрых электронов виртуальными пионами — экспериментально наблюдаемый эффект, подтверждающий влияние виртуальных частиц на реальные объекты.
Таким образом, виртуальные частицы — это одновременно и математический инструмент, и отражение физических процессов. Они не существуют в классическом смысле, но их влияние на материю подтверждается экспериментами. Можно сказать, что они занимают промежуточное положение между абстрактными концепциями и реальными объектами. Аналогии для понимания:
1. Волны на воде:
– Представьте камень, брошенный в воду.
– Вы видите волны — это как реальные частицы.
– Но между волнами есть области, где вода как бы “готовится” к движению — это похоже на виртуальные частицы.
– Эти области нельзя выделить отдельно, но они влияют на общую картину.
2. Тепловые флуктуации:
– В горячем газе молекулы движутся хаотично.
– Мы видим среднее поведение газа (давление, температуру).
– Но отдельные флуктуации слишком быстры и малы для наблюдения.
– Однако их влияние на макроскопические свойства реально.
Теперь о массе электрона. Поле Хиггса придаёт электрону массу. Происходит это через взаимодействие Юкавы: электрон «проникает» через «море» бозонов Хиггса (обусловлены полем Хигса), происходит обмен энергией с этим полем, и эта энергия проявляется как масса электрона, причем процесс происходит непрерывно и при этом он получает массу покоя. Взаимодействие Юкавы — фундаментальное взаимодействие между скалярными и фермионными полями, названное в честь японского физика Хидэки Юкавы. Когда фермион (например, электрон) “встречается” со скалярным полем (полем Хиггса), между ними происходит обмен энергией. В результате этого обмена фермион получает массу. Можно привести аналогии:
– Представьте, что фермион — это человек, который идет по глубокому снегу. Снег — это поле Хиггса. Когда человек идет, он «взаимодействует» со снегом, и из-за этого ему становится тяжелее двигаться — так и частица «тяжелеет», получая массу.
– Человек плывет в густом сиропе — чем гуще сироп, тем сложнее двигаться, тем «тяжелее» он себя чувствует.
Общий итог:
– Масса электрона — это результат взаимодействия с полем Хиггса.
– Заряд — результат взаимодействия с электромагнитным полем.
– Существование как частицы — благодаря электронному полю.
– Поля не действуют изолированно.
– Взаимодействие полей происходит постоянно.
– Электрон одновременно является частью всех трех полей.
– Каждое поле вносит свой вклад в свойства электрона.
Литература:
1. Байков, А. О структуре электрона / А. Байков // Интернет-журнал Lenin Crew: Сайт. URL: https://lenincrew.com/electron/ (дата обращения: 26.11.2025). — Режим доступа: свободный.
2. Сивченко, О. Виртуальных частиц не существует / О. Сивченко // Хабр: Сайт. URL: https://habr.com/ru/articles/552644 (дата обращения: 25.11.2025). — Режим доступа: свободный.
3. Хокинг, С. Кратчайшая история времени / С. Хокинг, Л. Млодинов — М.: Издательство АСТ, 2021. — 182 с.
4. Фейгин, О. Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени / О Фейгин. — М.: АСТ-Пресс Книга, 2010, — 128 с.
5. Файер, М. Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир / М. Файер. — Санкт-Петербург: Питер, 2015. — 384 с.
