Stipri branduolinė jėga, kaip jau galėjote atspėti, iš tiesų yra labai stipri jėga. Jis yra toks galingas, kad labai ilgą laiką, galbūt amžinai, sugeba surinkti mažiausias dalis visatos dalelių. Dalelės, kurias jungia stipri jėga, sudaro mūsų kasdienio pasaulio statybinius elementus: protonus ir neutronus. Bet jei jūs supjaustytumėte protoną ar neutroną, nerastumėte gražaus, paprasto subatominių dalelių išdėstymo. Vietoj to, jūs pamatytumėte pasibjaurėtinus galimai vienos sudėtingiausių jėgų visatoje įžengėjus.
Protonai ir neutronai nėra vieninteliai dalykai, kuriuos sugeba padaryti stipri jėga, tačiau mes nelabai suprantame kitų sudėtingesnių ir egzotiškesnių susitarimų. Dar daugiau, net mūsų pastebėjimai ir eksperimentai patys yra labai eskizai. Tačiau fizikai sunkiai dirba, bandydami surinkti įžvalgas apie šią pagrindinę gamtos jėgą.
Stiprus ir sudėtingas
Norint apibūdinti stiprią jėgą, geriau ją kontrastuoti su žymiai garsesne pusbroliu - elektromagnetine jėga. Su elektromagnetine jėga viskas yra paprasta, lengva ir suprantama; tiek, kad 1900-ųjų mokslininkai sugebėjo daugiausiai tai išsiaiškinti. Su elektromagnetine jėga bet kuri dalelė gali prisijungti prie partijos, jei ji turi savybę, vadinamą elektros krūviu. Jei turite šį krūvį, tada jūs turite jausti ir reaguoti į elektromagnetinę jėgą. Ir visos dalelės, iš visų juostelių ir skonių, turi elektrinį krūvį, kaip ir jūsų sodo veislės elektronas.
Kita dalelė, šviesos dalelė (dar vadinama fotonu), perduoda elektromagnetinę jėgą iš vienos įkrautos dalelės į kitą. Pats fotonas neturi savo elektros krūvio ir yra bepilotis. Jis važiuoja šviesos greičiu, blykčiodamas pirmyn ir atgal per visatą, sukeldamas elektromagnetizmą.
Elektrinis krūvis. Vienas elektromagnetinės jėgos nešiklis. Paprasta, nesudėtinga.
Priešingai, yra šešios dalelės, veikiamos stiprios branduolinės jėgos. Jie, kaip grupė, yra žinomi kaip kvarkai ir turi pakankamai egzotiškų vardų, pavyzdžiui, aukštyn, žemyn, viršuje, apačioje, keistai ir žaviai. Norėdami pajusti stiprią branduolinę jėgą ir reaguoti į ją, šie kvarkai turi savo krūvį. Tai nėra elektrinis krūvis (nors jie taip pat turi elektrinį krūvį ir taip pat jaučia elektromagnetinę jėgą), tačiau dėl įvairių priežasčių, dėl kurių viskas išties painiojama, fizikai šį specialųjį krūvį, susijusį su stipria branduoline jėga, vadina spalvos krūviu.
Kvarkai gali būti vienos iš trijų spalvų, vadinamų raudona, žalia ir mėlyna. Paprasčiau paaiškinti, kad tai ne tikros spalvos, o tik etiketės, kurias suteikiame šiai keistai, įkraunamai savybei.
Taigi, kvarkai jaučia stiprią jėgą, tačiau, jei norite būti tikslūs, ją neša daugybė kitų dalelių - aštuonios. Jie vadinami klonais ir daro tikrai puikų darbą… lauki to… klijuodami kvarkus. Taip pat atsitiktinai klonai turi savybę ir norą nešiotis savo spalvų užtaisą. Ir jie turi masę.
Šeši kvarkai, aštuoni gluonai. Kvarkai gali pakeisti savo spalvų krūvį, taip pat gali ir klonai, nes kodėl gi ne?
Visa tai reiškia, kad stipri atominė jėga yra kur kas sudėtingesnė ir sudėtingesnė nei jo elektromagnetinis pusbrolis.
Keistai stiprus
Gerai, melavau. Fizikai šią kvarkų ir gluonų savybę vadino ne tik „spalvos užtaisu“, nes jie tai jautė, bet ir todėl, kad tai yra naudinga analogija. Klonai ir kvarkai gali jungtis ir sudaryti didesnes daleles, jei visos spalvos yra baltos, lygiai taip pat, kaip raudona, mėlyna ir žalia šviesa prideda prie baltos šviesos ... Dažniausias derinys yra trys kvarkai, po vieną raudoną, žalią, ir mėlyna. Bet analogija čia tampa šiek tiek sudėtinga, nes kiekvienas atskiras kvarkas gali turėti bet kurią iš jai priskirtų spalvų bet kuriuo metu; svarbu yra kvarkų skaičius norint gauti tinkamus derinius. Taigi, jūs galite sudaryti trijų kvarkų grupes, kad padarytumėte pažįstamus protonus ir neutronus. Jūs taip pat galite turėti kvarką, sujungtą su jo antivarkiu, kai spalva savaime išnyksta (kaip ir žalios poros su antižalia, o ne aš tai darau ne tik eidama kartu), kad padaryčiau dalelė, vadinama mezonu.
Bet tuo viskas nesibaigia.
Teoriškai bet koks kvarkų ir gluonų derinys, kuris prideda prie baltos spalvos, yra techniškai leistinas.
Pavyzdžiui, du mezonai, kurių kiekviename yra du kvarkai, gali sujungti į kažką, vadinamą tetrakvarku. Ir kai kuriais atvejais jūs galite pridėti penktą kvarką prie mišinio, vis tiek subalansuodami visas spalvas, vadinamą (jūs atspėjote) penkiaakį.
Tetrakarkas net nebūtinai turi būti techniškai surištas į vieną dalelę. Jie gali tiesiog egzistuoti šalia vienas kito, sudarydami tai, kas vadinama hidrone.
Ir kaip tai beprotiška: patiems klonams gali net neprireikti kvarko, kad būtų galima pasidaryti dalelę. Gali būti, kad pakaks gluonų rutulio, palyginti stabilus visatoje. Jie vadinami gliukobalais. Visų galimų surištų būsenų diapazonas, kurį lemia stipri branduolinė jėga, vadinamas kvakonio spektru, ir tai nėra pavadinimas, kurį sukūrė „Sci-Fi“ televizijos laidų rašytojas. Yra visokių beprotiškų kvarkų ir gluonų kombinacijų, kurios tiesiog gali egzistuoti.
Taigi ar jie?
Varškė vaivorykštė
Gal būt.
Fizikai jau keletą dešimtmečių vykdo stiprius branduolinės jėgos eksperimentus, pavyzdžiui, „Baberio eksperimentą“ ir keletą „Didžiojo hadronų susidūrimo“ įrenginyje, bėgant metams pamažu kaupdami vis aukštesnius energijos lygius, kad galėtų giliau ir giliau pažvelgti į quarkonium spektrą (ir taip jūs turite mano leidimą naudoti šią frazę bet kuriame sakinyje ar atsitiktiniame pokalbyje, tai yra nuostabu). Šiuose eksperimentuose fizikai rado daugybę egzotinių kvarkų ir gluonų kolekcijų. Eksperimentininkai jiems suteikia linksnius pavadinimus, tokius kaip χc2 (3930).
Šios egzotiškos potencialios dalelės egzistuoja tik trumpalaikiškai, tačiau daugeliu atvejų egzistuoja įtikinamai. Bet fizikams sunku susieti šias trumpai pagamintas daleles su teorinėmis, kurios, mūsų manymu, turėtų egzistuoti, pavyzdžiui, tetrakvarkais ir klijais.
Ryšio užmezgimo problema yra ta, kad matematika yra tikrai sunki. Skirtingai nuo elektromagnetinės jėgos, labai sunku numatyti patikimas branduolinės jėgos jėgas. Tai ne tik dėl sudėtingos kvarkų ir gluonų sąveikos. Esant labai aukštai energijai, stipriosios branduolinės jėgos jėga iš tikrųjų pradeda silpnėti, o tai leidžia matematikai supaprastėti. Tačiau esant žemesnei energijai, pavyzdžiui, energijai, reikalingai sujungti kvarkus ir gluonus, kad susidarytų stabilios dalelės, stipri atominė jėga iš tikrųjų yra gerai. Dėl padidėjusio stiprumo matematiką sunkiau išsiaiškinti.
Teoriniai fizikai sugalvojo daugybę metodų, kaip išspręsti šią problemą, tačiau patys metodai yra neišsamūs arba neveiksmingi. Nors mes žinome, kad egzistuoja kai kurios iš šių egzotinių būsenų kvakonio spektre, labai sunku numatyti jų savybes ir eksperimentinius parašus.
Vis dėlto fizikai, kaip visada, dirba sunkiai. Lėtai, bėgant laikui, mes kaupiame egzotinių dalelių, susidarančių susidūrimuose, kolekciją ir pateikiame geresnes prognozes, kaip turėtų atrodyti teorinės kvakonio būsenos. Rungtynės pamažu artėja, kad gautume išsamesnį šios keistos, bet pagrindinės jėgos mūsų visatoje vaizdą.
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, šeimininkas Paklauskite erdvėlaivio ir Kosminis radijas, ir autorius Jūsų vieta Visatoje.
