Ładunek (fizyka)

Ładunek – własność fizyczna każdego ciała, która określa, jak to ciało zachowuje się wobec określonego oddziaływania. Jest to jedno z pojęć podstawowych fizyki.

W mechanice klasycznej dla grawitacji i elektromagnetyzmu ładunek ciała pomnożony przez potencjał w punkcie, w którym znajduje się to ciało, daje w wyniku energię potencjalną tego ciała.

Istnieją cztery podstawowe rodzaje oddziaływań fizycznych, zatem powinny istnieć cztery podstawowe rodzaje ładunku. W istocie jednak za jedno oddziaływanie może odpowiadać kilka ładunków.

Grawitacja

W oddziaływaniu grawitacyjnym występuje tylko jeden ładunek, którym jest masa. Masa jednocześnie określa bezwładność ciała, chociaż z teorii grawitacji Newtona nie wynika, by masa jako miara bezwładności musiała być ładunkiem grawitacji.

W ogólnej teorii względności Einsteina ładunkiem grawitacji jest czteropęd, a masa jest jedynie jedną z jego składowych. W myśl zasady równoważności masa grawitacyjna jest zawsze równa masie bezwładnej. Masa nie może być ujemna i może przyjmować dowolne nieujemne wartości rzeczywiste. W teoriach pól kwantowych antycząstki poszczególnych cząstek mają taką samą masę, jak cząstki wyjściowe.

Elektromagnetyzm

Oddziaływanie elektromagnetyczne ma tylko jeden ładunek (ładunek elektryczny), który w teorii klasycznej zachowuje się bardzo podobnie do ładunku grawitacyjnego (masy), jednak jest skwantowany (może przyjmować tylko dyskretne wartości). Ładunek może być również ujemny. Ładunek o najmniejszej niezerowej wartości bezwzględnej mają kwarki d, s i b – jedną trzecią ładunku elektronu. Przyczyny kwantowania ładunku elektrycznego nie są znane; Paul Dirac zaproponował istnienie monopolu magnetycznego, które m.in. wymusza kwantowanie ładunku.

Elektromagnetyzm posiada też drugi hipotetyczny ładunek magnetyczny. Występuje on tylko w tych teoriach, które postulują istnienie monopoli magnetycznych. Standardowe teorie nie przewidują jego istnienia. Warto odnotować, że elektrodynamika Maxwella może być bardzo łatwo przekształcona do postaci, w której występują monopole. Istnieje też uderzająca symetria pomiędzy polem elektrycznym a magnetycznym, której jedynym słabym punktem jest fakt, że monopoli nie zaobserwowano. Gdyby ładunek magnetyczny istniał, to byłby skwantowany tak samo, jak elektryczny. Antycząstki miałyby ładunek przeciwny do wyjściowych cząstek.

Słabe oddziaływanie jądrowe

Ładunek oddziaływań słabych dla cząstek i antycząstek nie jest określony prostym wzorem. Dana cząstka może mieć zerowy ładunek słaby a jej antycząstka – niezerowy. Jest on skwantowany i jego cechą charakterystyczną jest fakt, że zależy od spinu cząstki. Zależność ta nie ma charakteru tensorowego, co stanowiło poważny problem teoretyczny. Neutrina i elektrony lewoskrętne mają ładunek słaby równy $-1/2,$ antyneutrina i pozytony prawoskrętne $+1/2,$ natomiast prawoskrętne elektrony i neutrina oraz lewoskrętne pozytony i antyneutrina – zerowy. Oznacza to, że nasza przestrzeń nie podlega symetrii odbić zwierciadlanych. Można powiedzieć w przenośni, że niektóre z cząstek elementarnych przypominają „śrubki” – są „nagwintowane” zawsze w tę samą określoną stronę.

Teoria oddziaływań elektrosłabych traktuje elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe jako przejaw jednej podstawowej siły. Występują w niej dwa ładunki – słaby izospin $I$ i hiperładunek $Y.$ Ładunek elektryczny $Q$ jest ich kombinacją $(Q=I_{3}+{\tfrac {Y}{2}}),$ sprzężenia z bozonami W zależą od izospinu, natomiast z bozonem Z są dane przez bardziej skomplikowane wyrażenia.

Silne oddziaływanie jądrowe

Ładunek oddziaływania silnego nazywa się ładunkiem kolorowym lub kolorem. W pewnym sensie są to 3 ładunki, z których każdy może przyjmować wartości –1, 0 i 1. Ładunki te dla wartości dodatnich nazywa się często umownie czerwonym, zielonym i niebieskim, natomiast dla ujemnych: antyczerwonym, antyzielonym i antyniebieskim. Ciała o zerowych ładunkach kolorowych określa się wtedy jako białe. (Te „kolory” nie mają rzeczywistego związku z barwami światła. Trzy kolory określa się też jako czerwony, niebieski i biały, a Roger Penrose proponuje czerwony, żółty i niebieski, których mieszanie może dać pomarańczowy, zielony i purpurowy.) Kwarki tworzące materię mają ładunki kolorowe równe 1. Każdy kwark może więc występować w trzech odmianach: czerwonej, zielonej i niebieskiej, jednak zwykle traktuje się je jako jedną cząstkę. Antykwarki mają kolory: antyczerwony, antyzielony i antyniebieski. Gluony (nośniki oddziaływania silnego) mają ładunki podwójne: jeden kolor i jeden antykolor. Przykładowo istnieje gluon czerwono-antyniebieski. Istnieją też gluony, które w pewnym sensie byłyby neutralne (np. czerwono-antyczerwony), ale tylko dwa.

Wszystkie znane cząstki oprócz kwarków i gluonów są białe. Nie zaobserwowano żadnej cząstki swobodnej o niezerowym ładunku kolorowym, zatem wysnuto hipotezę, że cząstki kolorowe mogą istnieć tylko w stanach związanych, które jako całość są białe (hipoteza uwięzienia kwarków).

Niektóre teorie wielkiej unifikacji postulują istnienie bozonów X, które mają ładunek kolorowy jak kwarki.