Что такое кварки

Считается, что электрон является элементарной частицей в том смысле, что его нельзя разложить на более мелкие элементы, как, например, протон на кварки. С другой стороны, существует явление разделения спина и заряда, при котором электрон ведет себя так, как будто он состоит из трех компонентов, которые описываются как квазичастицы. 

Мой вопрос заключается в том, что именно представляют собой квазичастицы и как специалисты представляют себе их? Можно ли рассматривать их как нечто реальное или это просто математический "трюк", чтобы показать некоторые абстрактные свойства?

ОТВЕТ

Квазичастица не является реальной частицей, потому что она не существует вне материи. Однако это нечто большее, чем просто математический трюк.

Квазичастицы (или элементарные возбуждения, например, колебания в кристалле) - это способ осмысления явлений, происходящих в материи. 

Например, оказывается, что если мы изучаем течение тока в полупроводнике, мы можем понять свойства полупроводника, если предположим существование частицы, практически идентичной электрону, только с другой массой. 

Или с противоположным зарядом. Если исходить из разговорного понимания этого слова, то этих частиц не существует; мы знаем, что полупроводник, как и остальная окружающая нас материя, состоит из протонов, нейтронов и электронов с определенными массами и зарядами. 

Поэтому квазичастицы являются эффективным описанием физических явлений. 

Делает ли это их не настоящими? Аналогия с силой трения проиллюстрирует проблему с быстрым ответом на этот вопрос. Как мы знаем, сила трения является результатом очень сложных взаимодействий на поверхности двух объектов, движущихся относительно друг друга. 

На микроскопическом уровне силы трения нет, но существует электростатическое взаимодействие между отдельными атомами, которое, когда мы рассматриваем большие объекты, проявляется как сила трения. С этой точки зрения, квазичастицы можно считать реальными, как реальна для нас сила трения.

Кроме того, дело осложняется тем, что мы понимаем под термином фундаментальные частицы. В упомянутом выше полупроводнике квазичастица является результатом взаимодействия между электронами. Мы можем представить его как электрон, окруженный облаком других электронов, которые движутся относительно друг друга. 

Теперь рассмотрим электрон вне проводника, в вакууме. При изучении свойств такого электрона кажется, что мы изучаем свойства фундаментальной частицы. Однако свойства этой частицы изменяются под воздействием флуктуаций вакуума. Вакуум в квантовой физике не пуст, он заполнен появляющимися и исчезающими парами частиц и античастиц, например, электрон-позитронными парами. 

Эти виртуальные частицы взаимодействуют с нашим электроном, заставляя, например, его массу быть другой, чем если бы вакуум был реальным вакуумом. Это приводит к вопросу о том, какой электрон является фундаментальным. 

Это идеализированный электрон в реальном вакууме или эффективный электрон, который мы наблюдаем в экспериментах и свойства которого изменяются под воздействием флуктуаций вакуума. 

Если первое, то реально ли оно, поскольку его практически невозможно наблюдать? Если последнее, то действительно ли оно фундаментально, поскольку концептуально мало отличается от квазичастицы?