du kommer förmodligen ihåg elektroner från vetenskapsklass. De är stabila subatomära partiklar som har en negativ elektrisk laddning. De finns i atomer och är den primära bäraren av elektricitet i fasta material. Men vad du förmodligen inte har hört talas om är tanken att varje elektron existerar… är faktiskt exakt samma elektron.
denna teori säger att varje elektron i universum faktiskt är en partikel som kontinuerligt färdas bakåt och framåt genom tiden. Det finns mycket komplicerad matematik involverad, men det löser några av kvantfysikens största obesvarade frågor.
teorin uppfanns först av John Archibald Wheeler, en teoretisk fysiker som arbetade med vätebomben i Los Alamos och senare undervisade vid Princeton. Han är till stor del känd för att återuppliva intresset för allmän relativitet på 1940-och 1950-talet.
liksom många kvantteorier är tanken att varje elektron är samma elektron, känd som en elektronteori, mer ett tankeexperiment än en teori.
så låt oss bryta ner det.
elektroner ser alla likadana ut
en av de största anledningarna till att detta tankeexperiment föreslogs av Wheeler är att varje elektron ser exakt densamma ut. De har alla samma massa och samma elektriska laddning.
detta innebär i slutändan att det är omöjligt att skilja elektroner från varandra alls. Så det är inte förvånande att Wheeler tänkte på tanken att om alla elektroner ser likadana ut och fungerar på samma sätt, kanske de är samma elektron.
relaterat: Fysiker gjorde bara elektronik som slår på och av med ljusets hastighet
föreslår att hela universum innehåller bara en elektron kanske inte verkar så absurt, när vi anser att den enda förändringen skulle vara att tanken på vad en elektron är. I praktiken skulle allt fortfarande fungera på samma sätt.
enligt en elektronteori, på samma sätt som en elektron kan studsas runt i rymden när den träffas med ljus, kan elektronen också kunna studsa bakåt i tiden. Konsekvensen av detta är att elektroner som rör sig bakåt i tiden är positroner, antimaterialkomponenten i elektroner. Så, inte bara är alla elektroner samma elektron, men alla positroner är också samma elektron som rör sig bakåt.
som professor undervisade Wheeler den nu berömda fysikern Richard Feynman när han var doktorand. Feynman tog upp wheelers teori när han accepterade sitt Nobelpris 1965. Här är vad Feynman sa:
jag fick ett telefonsamtal en dag på graduate college i Princeton från Professor Wheeler, där han sa: ”Feynman, jag vet varför alla elektroner har samma laddning och samma massa.””Varför?””För att de är alla samma elektron!”Och sedan förklarade han i telefon:” Antag att de världslinjer som vi vanligtvis övervägde tidigare i tid och rum – istället för att bara gå upp i tid var en enorm knut, och då, när vi skar genom knuten, vid planet som motsvarar en bestämd tid, skulle vi se många, många världslinjer och det skulle representera många elektroner, förutom en sak. Om det i en sektion är en vanlig elektronvärldslinje, i den sektion där den vände sig om och kommer tillbaka från framtiden har vi fel tecken till rätt tid – till rätt fyra hastigheter – och det motsvarar att ändra laddningens tecken, och därför skulle den delen av en väg fungera som en positron.”
för många fysiker verkade det som Wheeler föreslog verkligen inte så absurt. Fysiker arbetade redan med tanken på elektroner och positroner, Wheeler föreslog bara ett sätt att ansluta varje enskild existens samtidigt som ett sätt att förklara varför ingen kunde berätta skillnaden mellan dem.
hur skulle denna teori faktiskt se ut?
det uppskattas att det finns ungefär 10 till kraften hos 80 atomer i universum. Om vi ignorerar det faktum att många atomer har mer än en elektron, kan vi förenkla antalet elektroner i universum som cirka 10 till kraften 80.
även om elektroner behandlas som stabila för teoretiska ändamål, ges den experimentella nedre gränsen för elektronens genomsnittliga livslängd ofta som 6,6 1028 år. Med hjälp av detta kan vi få en uppfattning om hur denna teori faktiskt spelar ut.
teorin och dessa siffror innebär att den enda elektronen som finns har rest genom universum 1080 gånger, varje gång tar 460 septillion år. Vi kan fördubbla dessa siffror för varje gång elektronen måste gå tillbaka genom tiden, vilket motsvarar att den ena elektronen i den ena Elektronteorin är 10105 år gammal.
datafel i teorin
allt detta är ganska intressant att överväga, men det finns ett problem i roten till detta tankeexperiment.
om en enda elektron färdas framåt genom tiden som en elektron och bakåt genom som en positron, skulle det innebära att vid varje given punkt bör det finnas samma antal positroner som det finns elektroner.
relaterat: Ny studie upptäcker miljarder intrasslade elektroner i en metall
vi vet att detta inte är sant, och eftersom det är fallet kan vi med starkt förtroende dra slutsatsen att den ena Elektronteorin inte kan hålla.
det är troligt att Wheeler visste att detta var fallet hela tiden. I sina memoarer skriver han:
” jag visste naturligtvis att åtminstone i vårt hörn av universum finns det många fler elektroner än positroner, men jag tyckte fortfarande att det var en spännande tanke att tänka på banor i rymdtid som kunde gå obegränsat i vilken riktning som helst — framåt i tiden, bakåt i tiden, upp, ner, vänster eller höger.”
Wheeler var nästan säker på att hans tankeexperiment inte var en återspegling av den faktiska kvantverkligheten, men han noterade att tanken att det inte finns samma antal positroner som elektroner är bara sant för vårt observerbara universum. Det är möjligt att det inte är fallet för summan av universum.
i slutet av dagen är One Electron Theory ett ganska intressant tankeexperiment att fundera över, även om fysiken inte är din sylt. Att tro att det är teoretiskt möjligt, men mycket osannolikt, att en partikel som finns överallt i hela universum faktiskt är samma partikel, som reser genom tiden – det är ganska coolt.