Hvernig er vitað að allar rafeindir séu nákvæmlega eins?

Svar

Ekki hefur tekist með beinum tilraunum að sýna fram á neinn mun á eiginleikum einstakra rafeinda en það getur ekki talist endanleg sönnun þess að þær séu allar eins. Rafeindin er ein af þeim tiltölulega fáu grundvallarögnum (öreindum) sem við teljum að heimurinn sé samsettur úr. Aðrar vel þekktar öreindir eru ljóseindir og kvarkar, en þeir síðarnefndu eru byggingareiningar róteinda og nifteinda (sjá einnig svör við spurningum um öreindir).

Enginn veit hvernig rafeindir eða aðrar öreindir líta út -- við getum aðeins tileinkað þeim fáa mælanlega eiginleika sem skilja þær hverja frá annarri. Slíkir eiginleikar eru til dæmis massi og hleðsla. Allar rafeindir hafa massann $9,109558\cdot 10^{-31}$ kg í kyrrstöðu, og rafhleðsluna $-1,6021917\cdot 10^{-19}$ Coulomb. Engin frávik frá þessum gildum hafa fundist, þrátt fyrir að milljarðar rafeinda séu mældir, og með sífellt betri mæliaðferðum fást nákvæmari og nákvæmari gildi. Rafeindir geta hins vegar ferðast á mismunandi hraða og á þann hátt verið ólíkar hvor annarri. Ljóseindir hafa engan massa og enga hleðslu og í lofttæmi ferðast þær ávallt á sama hraða, 299.792.558 m/s. Ljóseindir geta hins vegar verið ólíkar að því leyti að þær hafa mismunandi bylgjulengd sem ræður því hvaða tegund rafsegulgeislunar er um að ræða og ræður litnum innan sýnilega bylgjulengdasviðsins.

Hér eru ansi margar rafeindir á ferð!
Ein af undirstöðum skammtafræðinnar er sú að gert er ráð fyrir að allar rafeindir séu nákvæmlega eins, og reyndar gengur skammtafræðin skrefi lengra. Segjum sem svo að við höfum tvö hólf, A og B. Tökum nú tvo venjulega hluti, til dæmis tvær borðtenniskúlur sem við köllum númer 1 og númer 2, og setjum eina í hvort hólf. Við vitum að við getum gert það á tvo mismunandi vegu, kúla 1 í hólf A og kúla 2 í hólf B eða öfugt, kúla 2 í hólf A og kúla 1 í hólf B. Þrátt fyrir að borðtenniskúlurnar séu mjög líkar og við eigum ef til vill í erfiðleikum með að greina hvor kúlan sé hvar, þá er samt sem áður augljóst að það eru tveir möguleikar á að raða þeim niður. Ef við nú höfum tvær rafeindir og við viljum setja eina í hólf A og aðra í hólf B þá segir skammtafræðin að það sé aðeins hægt að gera á EINN hátt. Skammtafræðin lítur svo á, að rafeindirnar séu ekki aðeins nákvæmlega eins heldur að það sé ekki lengur hægt að líta á hverja þeirra sem einstakan hlut á sama hátt og við lítum á borðtenniskúlu sem einstakan hlut. Við getum sett eina rafeind í hólf A og aðra í hólf B en ef við skiptum á rafeindum þá fáum við ekki bara EINS ástand og áður heldur SAMA ástand og áður.

Í skammtafræðinni er þessi forsenda gífurlega mikilvæg. Hún útskýrir meðal annars rafeindauppbyggingu frumeinda og sameinda. Rafeindir eru andlit frumeinda, það er að segja sá hluti frumeindanna sem snýr að heiminum og ræður mestu um það hvernig efni víxlverka við ljós og við önnur efni. Rafeindirnar ráða þess vegna miklu um það hvernig okkar daglega umhverfi lítur út og hvernig það hegðar sér. Án þeirrar forsendu að allar rafeindir séu í grundvallaratriðum nákvæmlega eins þyrfti að endurskoða alla skammtafræðina.

Við hefðum þá til dæmis ekki lengur skýringu á lotukerfinu því að skýring skammtafræðinnar á því byggist á lögmáli Coulombs, jöfnu Schrödingers og einsetulögmáli Paulis, sem er aftur byggt á þeirri grundvallarforsendu að allar rafeindir séu eins. Margir mundu því vilja snúa þessu við og segja að tilvist lotukerfisins, það að frumefnin raða sér eins og þau gera og haga sér samkvæmt því, sé ein staðfestingin á því að allar rafeindir hljóti að vera eins!

Mynd:

• Figure tesi. Sótt 31.3.2011.