點電荷的電場是無窮大的嗎?

時間 2021-05-06 20:53:42

1樓:張航

看乙個真空中「靜止」的自由電子,把元電荷分布在球面上,那麼球面外有電場,球面內無電場,只要算球面外的能量密度就不是無窮大,這個球的半徑在10^(-15)到10^(-14)公尺之間,比基態氫原子價電子半徑的5.3*10^(-11)公尺小多了……不知道電子自旋帶了多少能量,不過是算在電子的總質量上的

2樓:ABCDEFG

你要知道這只是乙個近似,很多問題是現在的科學無法解答的,未來對電子結構的研究可能解釋這個問題。是不是無窮大,還要繼續發展相關的理論來解答,現在無法回答。

3樓:

點電荷是一種理想化。大小、形狀可以忽略的近似,才能叫點電荷。只有離得足夠遠的點電荷,才 make sense,你讓 r —> 0 ,還把它當成點電荷看待,這很不 make sense 啊。

4樓:hope

不是,在微觀領域,有些東西會失效的,按照經典模型,場是有能量的,按照電子質量算出來電子半徑在10^-14m,然而目前直接沒測出電子半徑,至少在10^-19m尺度上,電子無半徑

5樓:charlary

理論上是的,但是實際上沒有絕對的點電荷,所以也就沒有無限大的電場。

現實世界中所有的無窮小,無窮大最終都會被更高階或者更精確的效應所消除。這也算是物理世界的乙個客觀規律。當然這也是物理的核心。

6樓:西澤·貝葉斯

在經典理論裡,點電荷處的電場計算值確實是無窮大——這也是經典電動力學所遇到的發散困難

其實電場的發散是次要的,更難以處理,也更觸及理論本質的是點電荷自有電磁能量計算值的發散:在經典電動力學中,伴隨任何電荷都伴隨著電磁場,這些電磁場所具有的能量稱為該電荷的自有電磁能

困難在於:任何點電荷的自有電磁能的理論計算值都是無窮大。

不妨對點電荷自有電磁能量做乙個簡單的計算:

點電荷的電場是球形對稱的,其電場強度向量為: ;

因此,點電荷的電場的能量密度為: ;

點電荷的自有電磁能量E 的計算值為:

可以看到:點電荷的自有電磁能量E 的計算值是發散的,為無窮大。

無窮大的能量意味著無窮大的質量和無窮大的萬有引力,於是在經典理論裡,電子這樣的基本粒子就是乙個個小型黑洞,這顯然是不符合實驗事實的。這一發散困難是經典理論本身的固有缺陷無法在經典理論的範圍內予以補全,經典電動力學必須做出修改和調整。

經典電動力學不僅在難電磁能量計算上遇到發散困難,在處理黑體輻射問題的時候同樣如此。2023年,瑞利根據經典統計力學和經典電動力學推出了黑體輻射功率譜密度的乙個公式,2023年,金斯修正了瑞利輻射公式中的乙個數值錯誤,以後,此公式被稱為瑞利-金斯定律。

瑞利-金斯公式的形式為:

為輻射的功率譜密度, 為黑體輻射出的電磁波的頻率,k 是玻爾茲曼常數,c 為真空中的光速,T 是熱力學溫度。

可以看出,不論是 本身,還是對的積分(積分表示,溫度為T 時的黑體輻射總功率)——在趨向於無窮大時,兩者均趨向於無窮大,這同實驗資料相違背(很明顯,輻射總功率絕對不可能是無窮大),即遇到了發散困難,這被稱為「紫外災難」或者「紫外發散」。

解決「紫外災難」的方法是引入能量量子化假設,這催生了量子力學的誕生。量子電動力學(Quantum Electrodynamics,簡稱QED)就是經典電動力學的種種困難而提出的。

在量子電動力學裡,電磁場並不是如經典電動力學中那樣抽象的數學函式 和 ,而是由光子構成的實際存在的物質。電磁波對應於實光子,靜電場和靜磁場則對應於虛光子,不論是實光子還是虛光子,兩者均有自己的能量和動量。電荷與電荷之間的靜電作用力是電荷與電荷之間互相交換虛光子造成的。

但與紫外災難不同的是,即使採用了QED,對於電子等基本粒子的自有電磁能量的計算依舊會面臨發散困難。其原因在於電磁場有無窮多的自由度,即光子的頻率可以從0一直取到無窮大,因而這一發散困難是帶有基本性質的困難。即,若要計算電子等基本粒子的自有電磁能量,就需要將粒子所激發的所有可能頻率的光子的能量疊加起來。

理論上,粒子激發的光子的頻率可以取到無窮大,無窮大的頻率對應了無窮大的能量,因而造成計算結果發散。

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