电荷从哪里来？

电荷从哪里来？电荷守恒从根本上说是由于量子场理论所描述的基本带电粒子的相对论不变性。带电量子粒子由洛伦兹不变方程或相对论不变方程定义。对于电子，它是狄拉克方程。洛伦兹不变性指的是空间和时间平移的不变性。

根据我们对量子物理的现代理解，相对论不变量子场是我们宇宙的基本组成部分。我们最伟大和最精确的自然理论是量子电动力学（QED）。这个理论由三个分量组成：量子化的狄拉克方程、量子化的麦克斯韦方程以及它们之间的相互作用项。这里的量子化是指方程中的无限自由度，它是通过从基于粒子的描述到基于波的描述而得到的。



除了洛伦兹不变性，该理论还具有一种额外的对称性，称为规范不变性。对于QED，它是U（1）规范不变性。它可以理解为每个量子场在一个二维平面上的旋转，这样旋转的轴是固定的指向同一个方向。这可以在四维时空中理论被定义的任何时空点上实现。

量子电动力理论中存在守恒电流，与守恒规范不变性相对应。这种守恒是诺特定理的直接结果，诺特定理规定了一个守恒电流对应于每一个连续对称。守恒电流有4个分量- 4个时空方向各有一个分量。因为电流作为一个整体是守恒的，所以它的每一个单独的分量也是守恒的。对电流的时间分量，在QED定义的四维时空的整个体积上积分，就会得到电荷的一个确定值。这是QED的守恒电荷，它在经典能级被测量为电子的库仑电荷。

电荷从哪里来？值得注意的是，只有在规范对称完整的情况下，电荷才守恒。一旦规范对称性被打破，电荷就不再守恒。这种现象在超导体的本体中可以观察到。这里QED的U（1）规范不变性自发地被打破到一个较低的规范群。这对理论中的组成量子场具有深远的意义。超导体中每个单元的电子数不再守恒，这就导致了库珀对的玻色-爱因斯坦凝聚。规范对称性的破坏也给光子一个有限的质量，只有当U（1）规范不变性是完整的，它是无质量的。