Protonas (priekinis planas) yra sudarytas iš trijų kvarkų, kurių kiekvienas turi unikalią savybę, vadinamą spalva. Juos griežtai laiko stiprios branduolinės jėgos.
(Vaizdas: © Lawrence Berkeley nacionalinė laboratorija)
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, šeimininkas Paklauskite erdvėlaivio ir Kosminis radijas, ir autorius Jūsų vieta Visatoje. Sutteris prisidėjo prie šio straipsnio „Space.com“ ekspertų balsai: op-ed ir įžvalgos.
Visos keturios žinomos gamtos jėgos turi savo unikalią vietą. Sunkumas, elektromagnetizmas, silpnas branduolys, stiprus branduolys: Kiekvienas iš jų valdo mažą mūsų gyvenimo sritį. Nors mūsų kasdienėje patirtyje vyrauja Žemės gravitacija ir šviesos bei šaldytuvo magnetų elektromagnetizmas, pagrindines funkcijas vaidina ir dvigubos branduolinės jėgos - tik labai, labai mažomis skalėmis.
Kaip maža? Įsivaizduokite, kaip susikūprinote kaip Saulės sistemos dydis. Jūsų rankos plaukia per Oorto debesis Pačios planetos slypi virš tavo pilvo mygtuko. Jūs esate toks didelis, kad elektriniai signalai trunka kelias savaites ar net mėnesius, kad jūsų kelionė per jūsų nervų sistemą būtų dar lėtesnė net ir patys paprasčiausi gestai.
Tai yra skirtumas tarp jūsų dabartinio dydžio (apytiksliai poros metrų) ir 10 ^ 15 metrų.
Dabar važiuokite atvirkščiai. Įsivaizduokite, kad skalė yra tokia maža, kad dabartinis jūsų kūnas jaučiasi toks pat platus kaip Saulės sistema. Skalė, kurioje jūsų judesiai eina greičiausiu greičiu. Ši neįtikėtinai maža skalė yra femtometras: 10–15 metrų. Tai atominio branduolio skalė.
Į protoną
Nuo pat pradžių kyla pagunda galvoti apie protoną kaip apie vieną dalelę. Kietas teigiamo krūvio ir masės apvalkalas, galintis atšokti ir apeiti taip lengvai, kaip biliardo kamuolys. Tačiau iš tikrųjų protonas yra pagamintas iš trijų mažesnių dalelių. Šios dalelės turi nuostabiai keistą kvarkų pavadinimą. Gamtoje yra iš viso šešių rūšių kvarkai, tačiau atidžiai tiriant protoną mums reikia rūpintis tik dviem iš jų, pavadintais aukštyn ir žemyn kvarkais.
Kaip jau sakiau, protonas yra kvarkų tripletas: du kvarkai aukštyn ir vienas žemyn kvarkas. Šie kvarkai jungiasi kaip komanda, o tą sujungtą komandą mes vadiname protonu.
Išskyrus tai neturėtų būti prasmės.
Du kvarkai turi tą patį elektros krūvį (nes jie yra tos pačios rūšies dalelės), todėl jie turėtų absoliučiai nekęsti vienas kito. Kaip jie lieka taip tvirtai priklijuoti?
Ir dar daugiau, iš kvantinės mechanikos mes žinome, kad du kvarkai negali turėti tokios pačios būsenos - jūs negalite būti sujungti dviejų tos pačios rūšies. Tiems dviems kvarkams neturėtų būti leista kartu egzistuoti. Ir vis dėlto jie ne tik toleruoja vienas kitą, bet atrodo, kad jiems tikrai patinka kompanija!
Kas vyksta?
Skirtinga spalva
Šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose fizikai pradėjo suprasti, kad protonas nėra pamatinis - jis gali būti suskaidytas į mažesnes dalis. Taigi jie atliko krūvą eksperimentų ir sukūrė krūvą teorijų, kaip nulaužti tą riešutą. Ir jie tuoj pat susidūrė su: a) kvarkų egzistavimu ir b) aukščiau esančiais mįslingais galvosūkiais.
Kažkas laikė tuos tris kvarkus kartu. Kažkas tikrai, tikrai stipru. Nauja gamtos jėga.
Stipri jėga.
Tuomet hipotezuota stipri jėga paprastu brutalia jėga išsprendė kartu egzistuojančių kvarkų problemas. O, jums nepatinka būti kartu, nes negalite gyventi toje pačioje būsenoje? Na, taip pat blogai, stipri jėga privers jus tai padaryti bet kokiu atveju, ir tai padės išspręsti šią problemą.
Ir kiekviena jėga turi jungties tašką. Kabliukas. Tai būdas pasakyti, kokia jėga tave veikia. Elektromagnetinei jėgai tai yra elektrinis krūvis. Gravitacijai tai yra masė. Dėl stiprios branduolinės jėgos fizikai turėjo sugalvoti naują kabliuką. Būdas kvarkui prisijungti prie kitos kvarko per tą jėgą. Ir fizikai pasirinko žodžio spalvą.
Taigi, jei jūs ar jūsų pažįstama dalelė turi šią naują savybę, vadinamą spalva, tada pajusite stiprią branduolinę jėgą. Jūsų spalva gali būti viena iš raudonos, žalios arba mėlynos (klaidinančiai yra ir raudonai, žaliai ir mėlynai, nes, žinoma, gyvenimas nėra toks paprastas). Norėdami pastatyti tokią dalelę kaip protonas, visos kvarco spalvos turi būti baltos. Taigi vienai kvarkai priskiriama raudonai, kitai - žaliajai, o paskutinei - mėlynai. Konkretus spalvų priskyrimas iš tikrųjų neturi reikšmės (ir, tiesą sakant, pavieniai kvarkai nuolat keičia spalvą), svarbu yra tai, kad jie visi tampa balti ir kad stipri jėga gali atlikti savo darbą.
Ši nauja spalvos savybė leidžia kvarkams pasidalyti protono būsena. Spalva nėra ta, kad du kvarkai yra visiškai vienodi - dabar jie turi skirtingas spalvas.
Super stiprumas
Įsivaizduokite, kad paimsite dvi mažas reples ir sugriebiate iš protono du kvarkus. Jūs treniruojatės, todėl sugebate įveikti stiprios branduolinės jėgos, laikančios jas kartu, jėgą.
Tačiau čia yra kažkas keisto apie stiprią jėgą: ji nemažėja per atstumą. Kitos jėgos, tokios kaip gravitacija ir elektromagnetizmas, daro. Tačiau stipri jėga išlieka tokia pat stipri, kaip visada, kad ir kokie atstūs būtų šie kvarkai.
Taigi vilkdami tuos kvarkus, turite išlaikyti vis daugiau energijos, kad išlaikytumėte atsiskyrimą. Jūs galų gale pridedate tiek energijos, kad energijai prilygstant masei, vakuume tarp kvarkų atsiranda naujos dalelės. Naujos dalelės, kaip ir kiti kvarkai.
Šie nauji kvarkai beveik iškart susiranda ką tik atsiskyrusių draugų ir susisieja kartu, išmesdami visą sunkų darbą ir prakaituodami vienu energijos pliūpsniu, kol net nepastebimas atstumas tarp jų. Kai manote, kad atskyrėte kvarkus, jie jau rado naujų, prie kurių prisijungti. Šis poveikis žinomas kaip varškės uždarymas: stipri jėga iš tikrųjų yra tokia stipri, kad neleidžia mums kada nors pamatyti kvarko izoliuotai.
Gaila, kad niekada nepamatysime, kokia yra jo spalva.
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo "Kas daro stiprią jėgą tokią stiprią?" „Ask A Spaceman“ podcast'e, kurį galite rasti „iTunes“ ir internete http://www.askaspaceman.com. Ačiū Kayja N. ir Ter B. už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“ naudodami #AskASpaceman arba sekdami Paulą @PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter.
- Fizikai tiesiog nustatė labai keistą dalelę, kuri visai nėra dalelė
- Yra daugiau nei viena realybė (kvantinėje fizikoje)
- Kodėl fizikai domisi paslaptingiausiais kukliausiais kvarkais
