Proton (ospredje) je sestavljen iz treh kvarkov, od katerih ima vsak edinstveno lastnost, imenovano barva. Močna jedrska sila jih močno drži.
(Slika: © Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley)
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju. Sutter je prispeval ta članek Glasovi strokovnjakov Space.com: Op-Ed & Vpogledi.
Vse štiri znane sile narave imajo svoje edinstveno mesto. Gravitacija, elektromagnetizem, šibko jedrsko, močno jedrsko: Vsak upravlja neko malo področje našega življenja. Medtem ko v naših vsakdanjih izkušnjah prevladuje gravitacija Zemlje in elektromagnetizem svetlobnih in hladilnih magnetov, igrajo tudi dvojne jedrske sile ključno vlogo - samo na zelo majhnih lestvicah.
Kako drobna? Predstavljajte si, da balonirate, da postane velikost sončnega sistema. Roke plavajo skozi Oort Cloud planeti se gnezdijo nad vašim trebuhom. Tako veliki ste, da električni signali potrebujejo tedne ali celo mesece, da se vaše potovanje skozi vaš živčni sistem naredi tako, da so tudi najpreprostejše kretnje boleče počasne.
To je razlika med vašo trenutno velikostjo (približno nekaj metrov) in 10 ^ 15 metrov.
Zdaj pa zaženite v obratni smeri. Predstavljajte si lestvico, tako majhno, da se vaše trenutno telo počuti tako obsežno kot sončni sistem. Lestvica, kjer se vaši gibi odvijajo najpočasneje. Ta neverjetno drobna lestvica je femtometer: 10 ^ -15 metrov. To je lestvica atomskega jedra.
V proton
Od tu navzgor je skušnjava o protonu razmišljati kot o enem delcu. Trda lupina pozitivnega naboja in mase, ki lahko odskoči in trka tako enostavno, kot žoga za biljard. Toda v resnici je proton sestavljen iz treh manjših delcev. Ti delci imajo prijetno čudno ime kvarki. V naravi je skupno šest vrst kvarkov, toda za natančen pregled protona moramo skrbeti le za dva izmed njih, imenovana gorski in spodnji kvarki.
Kot sem že rekel, je protona trojka kvarkov: dva kvarka in en dol kvark. Ti kvarki se povezujejo skupaj kot ekipa, in ta vezana ekipa je tisto, čemur pravimo proton.
Razen to ne bi smelo imeti nobenega smisla.
Dva kvarka imata popolnoma enak električni naboj (ker sta popolnoma enaka delca), zato bi se morali popolnoma sovražiti. Kako ostanejo tako tesno prilepljeni?
In še več, iz kvantne mehanike vemo, da dva kvarka ne moreta imeti istega stanja - ne morete imeti dveh enake vrste, ki sta skupaj povezana. Ta dva kvarka ne bi smela sobivati tako. In vendar se ne samo prenašajo drug drugega, ampak se zdi, da v družbi resnično uživajo!
Kaj se dogaja?
Drugačna barva
V petdesetih in 60. letih so se fiziki začeli zavedati, da protoni niso temeljni - razčleniti ga je mogoče na manjše dele. Tako so naredili kup eksperimentov in razvili kup teorij, da so razbili točno to matico. In takoj so naleteli na: a) obstoj kvarkov in b) uganke zgoraj.
Nekaj je držalo tiste tri kvarke skupaj. Nekaj res, res močnega. Nova sila narave.
Močna sila.
Takratna hipotezizirana močna sila je težave soobstoječih kvarkov reševala s preprosto silovito silo. Oh, ne marate biti skupaj, ker ne morete deliti iste države? No, preveč slabo, močna sila vas bo tako ali tako prisilila in bo zagotovila rešitev te težave.
In vsaka sila ima točko povezave. Kavelj. Način, kako sili povedati, kako močno na to vplivaš. Za elektromagnetno silo je električni naboj. Za gravitacijo je masa. Za močno jedrsko silo so morali fiziki izmisliti nov trnek. Način, da se kvark prek te sile poveže z drugim kvarkom. In fiziki so izbrali besedo barva.
Če torej vi ali delček, ki ga poznate, ima to novo lastnost, imenovano barva, potem občutite močno jedrsko silo. Vaša barva je lahko rdeča, zelena ali modra (zmede so tudi anti-rdeča, anti zelena in modra, ker seveda življenje ni tako preprosto). Če želite sestaviti delce kot protoni, morajo vse barve kvarkov seštevati belo. Tako se ena kvarka dodeli rdeči barvi, drugi pa zeleni, zadnji pa modri. Posebna dodelitev barve pravzaprav ni pomembna (in pravzaprav posamezni kvarki nenehno spreminjajo barvo). Pomembno je, da vsi dodajo belo barvo in da močna sila lahko opravi svoje delo.
Ta nova barvna lastnost je tisto, kar omogoča, da kvarki delijo stanje znotraj protona. Pri barvi nobena dva kvarka nista popolnoma enaka - zdaj imata različne barve.
Super trdnost
Predstavljajte si, da vzamete dva majhna klešča in zgrabite dva kvarka v protonu. Če delate, ste sposobni premagati moč močne jedrske sile, ki ju drži skupaj.
Ampak tukaj je nekaj čudnega pri močni sili: ne zmanjša se z razdaljo. Druge sile, kot sta gravitacija in elektromagnetizem, delujejo. Toda močna sila ostaja enako močna, kot je vedno, ne glede na to, kako daleč so ti kvarki.
Ko vlačiš po teh kvarkih, moraš še naprej dodajati več energije, da ohraniš ločitev. Sčasoma dodate toliko energije, da, če je energija enakovredna masi in vse to, se novi novi delci pojavijo v vakuumu med kvarki. Novi delci kot… ostali kvarki.
Ti novi kvarki skoraj takoj najdejo svoje na novo ločene prijatelje in se zavežejo skupaj, tako da v svoj bliskovit trenutek vržejo vso trdo delo in se znojite, preden je razdalja med njimi sploh opazna. Ko mislite, da ste ločili kvarke, so že našli nove, na katere se lahko zavežejo. Ta učinek je znan kot omejevanje kvarkov: Močna sila je pravzaprav tako močno močna, da nam preprečuje, da bi kdaj videli kvark v izolaciji.
Škoda, da nikoli ne bomo videli, kakšne barve ima.
Preberite več o poslušanju epizode "Kaj je močna sila tako močna?" v podkastu Ask A Spaceman, ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com. Hvala Kaji N. in Terju B. za vprašanja, ki so vodila do tega komada! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paulu @PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter.
- Fiziki so pravkar odkrili zelo nenavaden delček, ki sploh ni delček
- Obstaja več kot ena resničnost (v kvantni fiziki)
- Zakaj fizike zanimajo skrivnostni prepiri najslavnejšega kvarka
