Protoni (etuala) koostuu kolmesta kvarkista, jokaisella on ainutlaatuinen ominaisuus, nimeltään väri. Vahva ydinvoima pitää heidät tiukasti.
(Kuva: © Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio)
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
Kaikilla neljällä tunnetulla luonnonvoimalla on oma ainutlaatuinen paikka. Painovoima, sähkömagneettisuus, heikko ydin, vahva ydin: Jokainen hallitsee jotakin pientä aluetta elämästämme. Vaikka arjen kokemuksissamme hallitsevat maapallon painovoima sekä valo- ja jääkaappimagneettien sähkömagneettisuus, myös ydinvoimien kaksoisvoimat pelaavat avainroolia - vain hyvin, hyvin pienissä mittakaavoissa.
Kuinka pieni? Kuvittele itsesi ilmapalloa tulevan aurinkokunnan kokoksi. Kädet uivat Oort Cloud itsessään planeetat lepäävät vatsasi yläpuolella. Olet niin suuri, että sähköisillä signaaleilla kestää viikkoja tai jopa kuukausia matkustaakseen hermoston läpi, mikä tekee jopa yksinkertaisimmista eleistä kipeästi hitaita.
Ero nykyisen koon (noin pari metriä) ja 10 ^ 15 metrin välillä.
Suorita nyt käänteisesti. Kuvittele asteikko, joka on niin pieni, että nykyinen kehosi tuntuu yhtä valtavalta kuin aurinkokunta. Asteikko, jossa liikkeesi nousevat hitaimmalla tahdilla. Tämä uskomattoman pieni mittakaava on femtometri: 10 ^ -15 metriä. Se on atomin ytimen mittakaava.
Protoniin
Täältä ylöspäin on houkuttelevaa ajatella protonia yhtenä hiukkasena. Kova kuori, jolla on positiivinen varaus ja massa, joka pystyy pomppimaan ja kiertämään yhtä helposti kuin biljardipallo. Mutta todellisuudessa protoni on tehty kolmesta pienemmästä hiukkasesta. Näillä hiukkasilla on kvarkkien ihanan omituinen nimi. Luonnossa on kaikkiaan kuusi erilaisia kvarkeja, mutta protonin tarkkaa tutkimista varten meidän on pidettävä huolta vain kahdesta niistä, nimeltään ylös ja alas kvarkeja.
Kuten sanoin, protoni on kvarkkien tripletti: kaksi ylös kvarkkia ja yksi alas kvarkki. Nämä kvarkit sitoutuvat yhteen joukkueena, ja sitä sidottua joukkuetta kutsumme protoniksi.
Paitsi, että sillä ei pitäisi olla mitään järkeä.
Kahdessa kvarkeissa on täsmälleen sama sähkövaraus (koska ne ovat täsmälleen samanlaisia hiukkasia), joten niiden pitäisi ehdottomasti vihata toisiaan. Kuinka ne pysyvät niin tiukasti liimattuina?
Ja mikä lisäksi, kvantimekaniikasta tiedämme, että kaksi kvarkkia ei voi jakaa täsmälleen samaa tilaa - et voi olla kaksi samanlaista sidottua yhteen. Niiden kahden ylöspäin olevan kvarkin ei pitäisi antaa olla rinnakkaiselossa samalla tavalla. Ja silti he eivät vain suvaitse toisiaan, mutta näyttävät todella nauttivan yrityksestä!
Mitä tapahtuu?
Eri väri
Fyysikot alkoivat 1950- ja 60-luvuilla ymmärtää, että protoni ei ole perustavanlaatuinen - se voidaan hajottaa pienempiin osiin. Joten he tekivät joukon kokeita ja kehittivät joukon teorioita halkeilemaan kyseinen mutteri. Ja he törmäsivät heti a) kvarkkien olemassaoloon ja b) yllä olevien hämmentävien vetoomusten olemassaoloon.
Jokin piti näitä kolmea kvarkkia yhdessä. Jotain todella, todella vahvaa. Uusi luonnon voima.
Vahva voima.
Silloin oletettu vahva voima ratkaisi rinnakkaiselossa olevien kvarkkien ongelmat yksinkertaisella raa'alla voimalla. Voi, et halua olla yhdessä, koska et voi jakaa samaa tilaa? No, pahoin, vahva voima saa sinut tekemään sen joka tapauksessa, ja se tarjoaa keinon ongelman ratkaisemiseksi.
Ja jokaisella voimalla on yhteyspiste. Koukku. Tapa kertoa tuolle voimalle, kuinka paljon se vaikuttaa. Sähkömagneettiselle voimalle se on sähkövaraus. Painovoiman vuoksi se on massa. Voimakkaan ydinvoiman aikaansaamiseksi fyysikkojen oli keksittävä uusi koukku. Tapa, jolla kvarkki yhdistyy toiseen kvarkkiin tämän voiman kautta. Ja fyysikot valitsivat sanan väri.
Siten, jos sinulla tai tuntemallasi hiukkasella on tämä uusi ominaisuus, nimeltään väri, niin tunnet voimakkaan ydinvoiman. Värisi voi olla punainen, vihreä tai sininen (hämmentävä on myös anti-punainen, anti-vihreä ja anti-sininen, koska elämä ei tietenkään ole niin yksinkertaista). Protonin kaltaisen hiukkasen rakentamiseksi kaikkien kvarkkien värien on oltava valkoisia. Siksi yhdelle kvarkeille annetaan punainen, toiselle vihreä ja viimeiselle siniselle. Erityisellä värimäärityksellä ei ole tosiasiallista merkitystä (ja itse asiassa yksittäiset kvarkit vaihtavat jatkuvasti väriä), tärkeätä on, että ne kaikki ovat valkoisia ja että vahva voima voi tehdä työnsä.
Tämä uusi väriominaisuus antaa kvarkeille mahdollisuuden jakaa tila protonin sisällä. Värillä ei kaksi kvarkkia ole täsmälleen samat - heillä on nyt eri värit.
Super voima
Kuvittele ottavan kaksi pientä pihdit ja tarttumalla kahteen kvarkista protoniin. Harjoittelet, joten pystyt ylittämään niitä yhdessä pitävän vahvan ydinvoiman vahvuuden.
Mutta tässä on jotain outoa vahvassa voimassa: Se ei pienene etäisyyden myötä. Muut voimat, kuten painovoima ja sähkömagnetismi, tekevät. Mutta vahva voima pysyy yhtä vahvana kuin se on aina, riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan nämä kvarkit ovat.
Joten kun hinaat noita kvarkoja, joudut lisäämään yhä enemmän energiaa ylläpitämisen ylläpitämiseksi. Lisäät lopulta niin paljon energiaa, että energia on yhtä suuri kuin massa ja kaikki uudet hiukkaset ilmestyvät tyhjiössä kvarkkien väliin. Uudet hiukkaset, kuten… muut kvarkit.
Nämä uudet kvarkit löytävät melkein heti vastikään erotetut ystävänsä ja sitoutuvat toisiinsa heittämällä kaiken kovan työn ja hikoilemalla yhdellä energian välähdyksellä, ennen kuin heidän välinen etäisyys on edes havaittavissa. Siihen mennessä, kun luulet erottaneen kvarkit, he ovat jo löytäneet uusia, joihin sitoutua. Tätä vaikutusta kutsutaan kvarkin sulkemiseen: Vahva voima on todella niin voimakas, että se estää meitä näkemästä kvarkkia eristettynä.
On sääli, ettemme koskaan pääse näkemään sen väriä.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Mikä tekee voimakkaasta voimasta niin vahvan?" Ask A Spaceman -podcastissa, joka on saatavana iTunesissa ja Webissä osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos Kayja N.: lle ja Ter B.: lle kysymykseen, joka johti tähän kappaleeseen! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.
- Fyysikot havaitsivat vain parittoman hiukkasen, joka ei ole ollenkaan hiukkas
- Enemmän kuin yksi todellisuus on olemassa (kvanttifysiikassa)
- Miksi fyysikot ovat kiinnostuneita Pätkän kvarkin salaperäisistä quirkeistä
