Точечная частица , идеальная частица [1] или точечная частица (часто пишется как точечная частица ) — это идеализация частиц, широко используемая в физике . Ее определяющей особенностью является то, что она не имеет пространственного протяжения ; будучи безразмерной, она не занимает места . [2] Точечная частица — это подходящее представление любого объекта, когда его размер, форма и структура не имеют значения в данном контексте. Например, с достаточно большого расстояния любой объект конечного размера будет выглядеть и вести себя как точечный объект. Точечные массы и точечные заряды, обсуждаемые ниже, — это два распространенных случая. Когда точечная частица имеет аддитивное свойство, такое как масса или заряд, ее часто математически представляют с помощью дельта-функции Дирака . В классической механике обычно нет понятия вращения точечных частиц вокруг их «центра».
В квантовой механике понятие точечной частицы осложняется принципом неопределенности Гейзенберга , поскольку даже элементарная частица , не имеющая внутренней структуры, занимает ненулевой объем. Например, атомная орбита электрона в атоме водорода занимает объем ~10 −30 м 3 . Тем не менее, существует различие между элементарными частицами, такими как электроны или кварки , которые не имеют известной внутренней структуры, и составными частицами, такими как протоны и нейтроны, внутренние структуры которых состоят из кварков. Элементарные частицы иногда называют «точечными частицами» в связи с отсутствием у них внутренней структуры, но это в другом смысле, чем тот, который обсуждается здесь.
Точечная масса ( точечная масса ) — это концепция, например, в классической физике , физического объекта (обычно материи ), который имеет ненулевую массу, и все же явно и конкретно является (или рассматривается или моделируется как) бесконечно малым (бесконечно малым) по своему объему или линейным размерам . В теории гравитации протяженные объекты могут вести себя как точечные даже в непосредственной близости от них. Например, сферические объекты, взаимодействующие в трехмерном пространстве , взаимодействия которых описываются ньютоновской гравитацией, ведут себя, пока они не касаются друг друга, таким образом, как если бы вся их материя была сосредоточена в их центрах масс . [3] Фактически, это верно для всех полей, описываемых законом обратных квадратов . [4] [5]
Подобно точечным массам, в электромагнетизме физики обсуждаютточечный заряд , точечнаячастица с ненулевымэлектрическим зарядом.[6]Фундаментальнымуравнениемэлектростатикиявляетсязакон Кулона, который описывает электрическую силу между двумя точечными зарядами. Другой результат,теорема Ирншоу, утверждает, что совокупность точечных зарядов не может поддерживаться в статическойравновеснойконфигурации исключительно за счет электростатического взаимодействия зарядов.Электрическое поле,связанное с классическим точечным зарядом, возрастает до бесконечности по мере того, как расстояние от точечного заряда уменьшается до нуля, что говорит о том, что модель больше не точна в этом пределе.
В квантовой механике существует различие между элементарной частицей (также называемой «точечной частицей») и составной частицей . Элементарная частица, такая как электрон , кварк или фотон , является частицей без известной внутренней структуры. В то время как составная частица, такая как протон или нейтрон , имеет внутреннюю структуру (см. рисунок). Однако ни элементарные, ни составные частицы не локализованы пространственно из-за принципа неопределенности Гейзенберга . Волновой пакет частицы всегда занимает ненулевой объем. Например, см. атомная орбиталь : Электрон является элементарной частицей, но его квантовые состояния образуют трехмерные узоры.
Тем не менее, есть веская причина, по которой элементарную частицу часто называют точечной частицей. Даже если элементарная частица имеет делокализованный волновой пакет, волновой пакет можно представить как квантовую суперпозицию квантовых состояний , в которых частица точно локализована. Более того, взаимодействия частицы можно представить как суперпозицию взаимодействий отдельных состояний, которые локализованы. Это неверно для составной частицы, которую никогда нельзя представить как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний. Именно в этом смысле физики могут обсуждать внутренний «размер» частицы: размер ее внутренней структуры, а не размер ее волнового пакета. «Размер» элементарной частицы в этом смысле равен точно нулю.
Например, для электрона экспериментальные данные показывают, что размер электрона меньше, чем10 −18 м . [7] Это согласуется с ожидаемым значением, равным точно нулю. (Это не следует путать с классическим радиусом электрона , который, несмотря на название, не связан с фактическим размером электрона.)
Медиа, связанные с Point Particle на Wikimedia Commons