Proton (pierwszy plan) składa się z trzech kwarków, z których każdy ma unikalną właściwość o nazwie kolor. Są mocno trzymane przez silne siły nuklearne.
(Zdjęcie: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie. Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Wszystkie cztery znane siły natury mają swoje unikalne miejsce. Grawitacja, elektromagnetyzm, słaba energia jądrowa, silna energia jądrowa: każda z nich rządzi małą domeną naszego życia. Podczas gdy w naszych codziennych doświadczeniach dominuje grawitacja Ziemi i elektromagnetyzm światła i magnesów na lodówkę, bliźniacze siły jądrowe również odgrywają kluczową rolę - tylko w bardzo, bardzo małych skalach.
Jak malutki Wyobraź sobie, że lecisz jak balon, by stać się wielkością Układu Słonecznego. Twoje ręce płyną przez Oort Cloud planety zagnieżdżają się nad pępkiem. Jesteś tak duży, że sygnały elektryczne potrzebują tygodni lub nawet miesięcy, aby odbyć podróż przez twój układ nerwowy, powodując, że nawet najprostsze gesty są boleśnie powolne.
To różnica między twoim obecnym rozmiarem (około kilku metrów) a 10 ^ 15 metrów.
Teraz uruchom go w odwrotnej kolejności. Wyobraź sobie skalę tak małą, że twoje obecne ciało wydaje się tak ogromne jak Układ Słoneczny. Skala, w której ruchy poruszają się w najwolniejszym tempie. Ta niewiarygodnie mała skala to femtometr: 10 ^ -15 metrów. To skala jądra atomowego.
W proton
Z góry tutaj kuszące jest myślenie o protonie jako pojedynczej cząsteczce. Twarda skorupa ładunku dodatniego i masy, zdolna do podskakiwania i przewracania tak łatwo jak kula bilardowa. Ale w rzeczywistości proton składa się z trzech mniejszych cząstek. Cząstki te mają cudownie dziwaczną nazwę kwarków. W przyrodzie istnieje sześć rodzajów kwarków, ale do naszego dokładnego zbadania protonu musimy się przejmować tylko dwoma z nich, zwanymi kwarkami w górę i w dół.
Tak jak powiedziałem, proton jest tripletem kwarków: dwa kwarki w górę i jeden kwark w dół. Te kwarki wiążą się razem jako zespół, a ten związany zespół jest tym, co nazywamy protonem.
Tyle że nie powinno to mieć żadnego sensu.
Dwa kwarki mają dokładnie taki sam ładunek elektryczny (ponieważ są dokładnie tym samym rodzajem cząstek), więc powinny się absolutnie nienawidzić. Jak pozostają tak mocno przyklejone?
Co więcej, wiemy z mechaniki kwantowej, że dwa kwarki nie mogą dzielić dokładnie tego samego stanu - nie możesz mieć dwóch tego samego rodzaju związanych ze sobą w ten sposób. Te dwa kwarki nie powinny ze sobą współistnieć w ten sposób. A jednak nie tylko tolerują się nawzajem, ale wydają się naprawdę lubić towarzystwo!
Co się dzieje?
Inny kolor
W latach 50. i 60. fizycy zaczęli zdawać sobie sprawę, że proton nie jest fundamentalny - można go podzielić na mniejsze części. Zrobili więc wiele eksperymentów i opracowali wiele teorii, aby złamać ten konkretny orzech. I natychmiast natrafili na a) istnienie kwarków i b) zagadkowe zagadki powyżej.
Coś trzymało te trzy kwarki razem. Coś naprawdę, naprawdę silnego. Nowa siła natury.
Silna siła.
Hipotezowana wówczas silna siła rozwiązała problemy współistniejących kwarków za pomocą prostej brutalnej siły. Och, nie lubisz być razem, ponieważ nie możesz dzielić tego samego stanu? Cóż, szkoda, silna siła sprawi, że i tak to zrobisz, i zapewni to obejście tego problemu.
I każda siła ma punkt połączenia. Hak Sposób na powiedzenie tej sile, jak bardzo jesteś na nią dotknięty. Dla siły elektromagnetycznej jest to ładunek elektryczny. Dla grawitacji jest to masa. W przypadku silnej siły jądrowej fizycy musieli wymyślić nowy hak. Sposób, w jaki kwark może połączyć się z innym kwarkiem za pośrednictwem tej siły. A fizycy wybrali kolor słowa.
Zatem jeśli ty lub cząstka, którą znasz, ma tę nową właściwość zwaną kolorem, możesz poczuć silną siłę jądrową. Twój kolor może być w kolorze czerwonym, zielonym lub niebieskim (mylące są też anty-czerwone, anty-zielone i niebieskie, bo oczywiście życie nie jest takie proste). Aby zbudować cząsteczkę taką jak proton, wszystkie kolory kwarków muszą się sumować do bieli. W ten sposób jeden kwark zostaje przypisany do czerwonego, drugi do zielonego, a ostatni do niebieskiego. Konkretne przypisanie koloru w rzeczywistości nie ma znaczenia (a w rzeczywistości poszczególne kwarki stale zmieniają kolor), ważne jest, że wszystkie sumują się do bieli i że silna siła może wykonać swoją pracę.
Ta nowa właściwość koloru umożliwia kwarkom dzielenie stanu wewnątrz protonu. W przypadku koloru żadne dwa kwarki nie są dokładnie takie same - mają teraz różne kolory.
Super siła
Wyobraź sobie, że bierzesz dwie małe szczypce i chwytasz dwa kwarki w protonie. Ćwiczysz, dzięki czemu jesteś w stanie pokonać siłę silnych sił jądrowych, które je utrzymują.
Ale jest coś dziwnego w silnej sile: nie zmniejsza się ona wraz z odległością. Działają inne siły, takie jak grawitacja i elektromagnetyzm. Ale silna siła pozostaje tak silna jak zawsze, bez względu na to, jak daleko od siebie są te kwarki.
Więc ciągnąc te kwarki, musisz ciągle dodawać coraz więcej energii, aby zachować separację. W końcu dodajesz tyle energii, że energia równoważna masie i tak dalej, nowe cząstki pojawiają się w próżni między kwarkami. Nowe cząstki, takie jak… inne kwarki.
Te nowe kwarki niemal natychmiast znajdują swoich nowo oddzielonych przyjaciół i łączą się, podrzucając ciężką pracę i pocenie się w jednym błysku energii, zanim odległość między nimi będzie jeszcze zauważalna. Kiedy myślisz, że oddzieliłeś kwarki, znaleźli już nowe, z którymi mogliby się związać. Ten efekt jest znany jako uwięzienie kwarku: silna siła jest tak bardzo silna, że uniemożliwia nam zobaczenie kwarka w izolacji.
Szkoda, że nigdy nie zobaczymy, jaki jest jego kolor.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Co czyni tę siłę tak silną?” w podcastu Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes oraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Kayji N. i Ter B. za pytania, które doprowadziły do powstania tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.
- Fizycy właśnie wykryli bardzo dziwną cząsteczkę, która wcale nie jest cząsteczką
- Istnieje więcej niż jedna rzeczywistość (w fizyce kwantowej)
- Dlaczego fizycy interesują się tajemniczymi dziwactwami najostrzejszego kwarka?
