הזרם החשמלי מוכר לכולנו, שכן בעזרתו פועלים המכשירים החשמליים בסביבתנו. הזרם הוא תנועה של מטענים חשמליים, אולם מהם אותם המטענים? 

במאה ה-18 הבחין הפיזיקאי הצרפתי שארל-אוגוסטן דה קולון, שחומרים נמשכים או נדחים זה מזה בשל תכונה שלהם, לה אנו קוראים ״מטען חשמלי״. חוק הדחיה או המשיכה [1] שאותו ניסח דה קולון דומה לחוק המשיכה הכבידתי בין שתי מסות אותו ניסח ניוטון. הכוח בין שני מטענים מתכונתי לאחד חלקי המרחק בריבוע. כאשר המטענים שניהם חיוביים או שליליים הכוח הוא כוח דחייה ואילו כאשר מטען אחד חיובי והשני שלילי הכוח הוא כוח משיכה. לפיכך, למרות הדמיון לכוח המשיכה, חוק קולון שונה מכוח הכבידה: הוא לא תלוי במסה של הגופים אלא בתכונה שונה, במטען. 

עד למאה ה-20 המטען החשמלי היווה גודל בסיסי, אקסיומטי. חוקי האלקטרומגנטית שניסח מקסוול בסוף המאה ה-19 עוסקים בהיווצרות שדה חשמלי ושדה מגנטי עקב הימצאותם של מטענים חשמליים ותנועתם - אותם אנו מכנים זרם חשמלי. אולם חוקי מקסוול אינם עוזרים לנו להבין את מקור מושג המטען.

הכל השתנה בזכות מתמטיקאית ופיזיקאית דגולה בשם אמי נתר, אשר הגדירה מהו מטען. עבודתה של נתר איננה מוגבלת רק למטען החשמלי, אלא רחבה הרבה יותר וכתבנו עליה בעבר [2], אולם אנו נתרכז במטען החשמלי.

דמיינו לכם שדה תותים. נניח שעל האדמה פזורים אלפי תותים. כאשר מסתכלים על התותים מלמעלה כל אחד מהם מונח בצורה מעט שונה. כעת נסובב את כולם בזוית כלשהי, למשל 10 מעלות. האם זה משנה את התמונה? לא ממש, זה כאילו שסובבנו את עצמנו ב 10 מעלות לכיוון השני.

איך כל זה קשור למטען חשמלי? (אם הגעתם עד כה והתעייפתם, קחו אתנחתא והקשיבו ל״שדות תותים לנצח״ [3]). 

כעת נחליף את שדה התותים בשדה של אלקטרונים (או חלקיקים אחרים הנושאים מטען חשמלי), כלומר נפזר אלקטרונים נושאי מטען חשמלי במרחב. במקום לסובב את האלקטרונים במרחב בו אנו חיים, אפשר לסובב אותם במרחב אחר, אשר נקרא ״מרחב פנימי״. נתר הראתה שבדומה לסיבוב בשדה התותים, סיבוב בשדה האלקטרונים לא ישנה דבר בפיזיקה. המשמעות של המילים ״מטען חשמלי״, על פי נתר, היא סיכום על צפיפות האלקטרונים כפול זווית הסיבוב.

בנוסף הראתה נתר שהגודל שהיא הגדירה, אותו אנו מכנים ״מטען חשמלי״ הוא גודל שמור. כלומר ערכו לא משתנה בזמן. סך-כל המטענים החשמליים ביקום הוא מספר קבוע שלעולם לא משתנה. 

הבנתנו את מושג המטען השתנתה שוב עם ניסוחה של האלקטרודינמיקה הקוונטית בידי פיינמן, שווינגר וטומונגה. מתברר שחלקיקים טעונים חשמלית, למשל האלקטרון, מבצעים פעולת גומלין אלקטרומגנטית עם עצמם [4]. לפיכך, כאשר אנחנו מודדים את המטען החשמלי שלהם איננו מודדים את המטען ה״עירום״ של האלקטרון אלא מטען אחר שנגלה לנו אחרי שהאלקטרון ביצע את פעולת הגומלין עם עצמו. העניין סבוך עוד יותר מאחר שפעולת הגומלין העצמית של האלקטרון הינה תלוית מרחק. פעולת הגומלין מתחזקת ככל שהמרחק בו בוחנים את האלקטרון מתקצר. הפיזיקאי הסובייטי הדגול, זוכה פרס נובל, לב דוידוביץ׳ לנדאו, העלה השערה שהאלקטרודינמיקה הקוונטית אינה עקבית יותר במרחקים קצרצרים מכיוון שעוצמת פעולת הגומלין נעשית אינסופית. מאידך, תאוריות חדשות בפיזיקה, הנקראות תאוריות איחוד, מציעות שעלינו לחשוב על פעולת הגומלין החשמלית כעל חלק מפעולת גומלין יסודית יותר המאחדת את כל פעולות הגומלין ומתקיימת במרחק קצרצר. אם תאוריית האיחוד נכונה, הרי שהמטען החשמלי איננו גודל יסודי אלא חלק ממטען אחר, יסודי יותר.

אז מהו מטען חשמלי? בעתיד, כאשר נדע מהי הפיזיקה במרחקים קצרצרים, תהיה לנו הבנה טובה עוד יותר. 

[1] חוק קולון

[2] סימטריה וגדלים נשמרים

[3] שדות תותים לנצח

[4] דיאגרמות פיינמן