Svaiginantis dalelių, jėgų ir laukų rinkinys diktuoja subatominį pagrindą viskam, ką matome.
Paulius Sutteris yra Ohajo valstijos universiteto astrofizikas ir vyriausiasis mokslininkas COSI mokslo centre. „Sutter“ taip pat yra „Ask a Spaceman“ ir „Space Radio“ šeimininkai ir veda „AstroTours“ visame pasaulyje. Sutteris pridėjo šį straipsnį „Space.com“ tinklalapyje „Expert Voices: Op-Ed & Insights“.
Norėdami aplankyti tikrai keistą, stebuklų ir paslapčių kupiną kraštą, nereikia šniukštinėti po stebuklingą spintelę, važiuoti skraidančia būtybe, kuri neturėtų sugebėti skristi ar beatodairiškai peršokti per portalą į kitą dimensiją. Ne, viskas, ką jums reikia padaryti, tai nulaužti dalelių greitintuvą ir žiūrėti žemyn, žemyn, žemyn.
Subatominiame lygmenyje galima išvysti tikrąją gamtos įvairovę ir didybę, o svaiginančią dalelių, jėgų ir laukų masyvą, kuris visas švilpauja ir švilpauja, valdo beveik neginčijami fizikos įstatymai. Tačiau kažkokiu būdu, užuot sukūrę chaotišką netvarką, visos jų sudėtingos sąveikos sukuria įprastą, tvarkingą, rašytinį makroskopinį pasaulį, su kuriuo mes esame susipažinę. [Keista kvarkai ir muonai, oi mano! Išskirtos mažiausios gamtos dalelės (infografija)]
Galima suprasti tą mažą pasaulį, atskirtą į griežtą hierarchiją, su aiškiomis linijomis tarp valdovų ir valdomųjų, tarp tų, kurie patogiai sėdi savo stabiliose pilyse, ir žemųjų valstiečių, kurie iš tikrųjų gauna darbą. Įvairių žmonių tarpusavio sąveika yra akmenyje pagal nekintamas taisykles: Kiekvienam yra vieta, ir kiekvienas turi savo vietą.
Ateik, aplankykime.
Gera būti karaliumi
Jo centre yra pačios masyviausios stabiliosios dalelės: kvarkai aukštyn ir žemyn. Jų ilgaamžiškumas leidžia jiems jungtis į beveik neįveikiamas tvirtoves: nukleono pilis, žinomas kaip protonus ir neutronus. Bet ne patys kvarkai prižiūri šias nukleonines citadeles. Iš tiesų, visų kvarkų branduolyje masė yra daug mažesnė už protono ar neutrono masę.
Vietoj to, aukštyn ir žemyn kvarkai yra įgyjami ypatingu sugebėjimu, nežinomu kitoms šios srities dalelėms. Jie gali pajusti stiprią branduolinę jėgą. Tai yra pati galingiausia jėga, sudedanti kvarkus taip intensyviai, kad nė vieno jų niekada negalima pamatyti atskirai. Ši sąveika sudaro nematytą mūsų makroskopinio pasaulio stuburą. Mes laikome protonus ir neutronus savaime suprantamu dalyku - taip tvirtai jie stato savo pilies sienas. Jų masė daugiausia lemia vidinių branduolinių ryšių stiprumą, o ne atskirus kvarkus.
Stipri branduolinė jėga nesustoja protonų ir neutronų lygyje. Klijai, jungiantys kvarkus, suteikiant jiems dominavimą prieš visas kitas daleles, yra tokie dominuojantys, kad gali surinkti keletą šių pilių kartu į tvirtą tvirtovę, vadinamą atominiu branduoliu. Ši struktūra nėra neįveikiama, kaip patys protonai ir neutronai, tačiau branduolio užmušimas reikalauja didžiulių pastangų.
Nepaisant visų jų dominuojančios galios, kvarkai, laikydami vietinius, gali būti pasiekiami tik jų pilyje ir apylinkėse. Taip yra todėl, kad stipri visų jėgų jėga yra labai ribota. Būtent tai nustato tvirtovių, pilių dydį ir saugo juos, kuriuos mes identifikuojame kaip mūsų pasaulio branduolius. [7 keistai faktai apie kvarkus]
Laukų užpildymas
Už šio riboto diapazono ribos kvarkai prižiūri savo domenus ir susisiekia tarpusavyje per karališkuosius pasiuntinius - fotonus. Tie greitakojai pasiuntiniai šuoliuoja iš vienos vietos į kitą Visatoje, niekada nepavargdami, nešdami elektromagnetinę jėgą - elektrą, magnetizmą ir net pačią šviesą - į bet kurias daleles, turinčias elektros krūvį. Ši įtaka apima visą kosmosą, nors, žinoma, kuo toliau nuo šaltinio, tuo silpnesnis poveikis.
Šis elektromagnetinis surišimas palaiko subatominio pasaulio apatinius sluoksnius ir, kol kvarkai praleidžia dienas laisvalaikiu, santykinai jaukiai saugodamiesi saugioje ir nuošalioje pilyje, paskendę „valstiečiai“ - elektronai - daro visą darbą, kad būtų sukurtos turtingos variacijos. galimų cheminių reakcijų. Teisingai - skurdūs, neišmanėliai elektronai vergo savo kvarkų šeimininkams. Elektromagnetizmas, susietas su branduoliu, tačiau paprastai neleidžiantis patekti pagal kvantinės mechanikos taisykles, elektronai keičiasi atomais, suteikdami mums chemiją, kuri leidžia padaryti beveik viską apie mūsų kasdienį gyvenimą.
Valdantieji kvarkai mielai prekiaus, pavogs ir pasiskolins nuolankų elektroną iš gretimo domeno, savo judesius sukonstruodami nuo fotonų sunkiais rankomis - nesirūpindami savo individualiomis viltimis, svajonėmis ar ambicijomis (laisvai tekantys per visatą, besisukantys aplink magnetinius įrenginius) laukai ir pan.).
Pasiklydę šešėlyje
Tačiau ne visos visatos dalelės yra laikomos po despotinių kvarkų nykščiais. Kai kurie gali laisvai tekėti visoje visatoje, nejausdami stiprios jėgos ir saugiai nekreipdami dėmesio į bet kokius artimųjų fotonų: neutrinų - akinius. Šios vaiduokliškos dalelės gali paslėpti save akyse, tokios putojančios, kad dešimtmečius manėme, kad jos yra visiškai beveidės.
Yra trijų rūšių neutronai: elektronų-neutrinas, muonas-neutrinas ir tau-neutrinas, tačiau jie taip gerai paslėpti, kad niekada nežinote, kurį žiūrite. Keliaudami jie gali važiuoti per kaukes, kurias dėvi, lengvai pakeisdami savo tapatybę patyrusiu šnipu. Jų kaukės nustato, kaip jos (retkarčiais) sąveikauja su likusiomis Visatos dalelėmis: Pavyzdžiui, elektronų neutralitonas dalyvaus tik tokiose reakcijose, kuriose dalyvauja elektronai.
Tačiau dėl blogo neutrinų prigimties procesas, kuris sukuria ypatingą šios dalelės skonį, ne visada gali vykti atvirkščiai, kad vėl pagautų originalią veislę - tai perjungtos tapatybės.
Vis dėlto, nepaisant visų jų gudrybių ir subtilumų, neutrinai neturi imuninės įtakos kvarkų sritims. Bet tam, kad atsirastų toks poveikis, reikalingos specialiosios pajėgos. Ekspertų dalelės, vadinamos W ir Z bozonais, silpnos branduolinės jėgos nešiotojais, yra vienintelės, galinčios susisiekti su šiurkščiaisiais neutriniais. Kai kuriais atvejais bosonams pavyksta paversti neutrinus labiau atitinkančiais tvarinius, pavyzdžiui, elektronus.
Net ir tada tai yra laimingas šansas: dažniausiai slapti neutrinai išnyksta be škotų.
Bet tų W ir Z bozonų, slaptųjų kietųjų dalelių pasaulio kovotojų, įgūdžių rinkinys apima ne tik retą neutrinų susidūrimą. Jie taip pat turi beveik išskirtinę prieigą prie branduolio tvirtovės vidinio šventyklos ir gali vienos rūšies kvarką pakeisti kitu. Jei neutronas išvengs atominio branduolio saugumo, šie specialūs bozonai gali tą dalelę paversti stabilesniu protonu.
Už karalystės ribų
Žinoma, tai nesuteikia viso subatominio pasaulio vaizdo. Visas standartinis modelis, mūsų tų mažyčių būtybių portretas ir visos jų sąveikos su visais žmonėmis yra daug didesni ir sudėtingesni, nei gali būti keliose pastraipose. Ir nors standartinis modelis yra šiuolaikinės fizikos triumfas, skausmingai sujungtas per kelis dešimtmečius, reikalaujant griežtų prognozių ir tiksliai eksperimentuojant, jis taip pat yra neišsamus mūsų pasaulio vaizdas.
Viena vertus, tai neapima gravitacijos, kuri šiuo metu geriausiai apibūdinama taip pat neišsamia bendra reliatyvumo teorija. Taip pat išlieka nuolatiniai kosmologiniai tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos prigimties klausimai, apie kuriuos tradicinis standartinis modelis nenurodo (nes šie reiškiniai buvo atrasti tik neseniai). Yra dar daugiau: neutrino masė, jėgų hierarchija ir pan.
Nors standartinis modelis toli gražu nėra išsamus ir galbūt šiek tiek nepatenkintas kramtomosios gumos ir latakų juostos modeliavimu, tačiau yra nepaprastai naudingas. Jis gali stulbinančiai nuspėti tų subatominių gyventojų judesius ir judesius bei visą jų niūrųjį schemą.
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo „Kas gyvena dalelių zoologijos sode?“. podcast'e „Ask a Spaceman“, kurį galima rasti „iTunes“ ir internete http://www.askaspaceman.com. Ačiū Alessandro M., Rogeriui, Martinui N., Danieliui C. ir @PoZokhr už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“ naudodami #AskASpaceman arba sekdami Paulą @PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter.
