Vrtoglava paleta delcev, sil in polj narekuje subatomsko osnovo za vse, kar vidimo.
Paul Sutter je astrofizik z ameriške univerze Ohio in glavni znanstvenik v znanstvenem centru COSI. Sutter je tudi gostitelj "Vprašaj vesoljca" in "Vesoljskega radia" in vodi AstroTours po vsem svetu. Sutter je ta članek prispeval k strokovnim glasovom Space.com: Op-Ed & Insights.
Če želite obiskati resnično nenavadno deželo, polno čudenja in skrivnosti, vam ni treba, da se prikradete skozi čarobno omarico, vozite leteče bitje, ki ne bi smelo leteti ali skakati nepremišljeno skozi portal v drugo dimenzijo. Ne, vse kar morate storiti je, da odprete svoj pospeševalnik delcev in gledate navzdol, navzdol, navzdol.
Na subatomskem nivoju je resnična raznolikost in sijaj narave na polnem prikazu, z vrtoglavo paleto delcev, sil in polj, ki vse žvižgajo in se vrtinčijo okoli, ki jih urejajo skoraj nesprejemljivi zakoni fizike. Vendar nekako, namesto da bi ustvarili kaotičen nered, vse njihove zapletene interakcije ustvarijo redni, urejeni, vzorčasti makroskopski svet, ki ga poznamo. [Čudni kvarki in munci, o moj! Naravni najtanjši delci, razstavljeni (Infographic)]
Lahko razberemo ta majhen svet, ločen v strogo hierarhijo, z jasnimi črtami med vladarji in vladarji, med tistimi, ki udobno sedijo v svojih stabilnih gradovih, in nizko postavnimi kmetje, ki dejansko opravijo delo. Interakcije med različnimi prebivalci so postavljene v kamnu po nespremenljivih pravilih: Za vse je mesto in vsi imajo svoje mesto.
Pridite, obiščimo.
Dobro je biti kralj
V središču so vsi najbolj masivni stabilni delci: kvarki navzgor in navzdol. Dolgoživost jim omogoča, da se združijo v skoraj nepredstavljive trdnjave: nukleonske gradove, znane kot protone in nevtrone. Toda vzdrževanje teh nukleonskih citadel ne delujejo sami kvarki. Dejansko je skupna masa vseh kvarkov v nukleonu veliko manjša od mase protona ali nevtrona.
Namesto tega so kvarki navzgor in navzdol prežeti s posebno zmožnostjo, ki je drugim delcem v kraljestvu ne poznajo. Čutijo lahko močno jedrsko silo. To je daleč najmočnejša sila, ki kvarke zleplja tako močno, da niti enega samega ni mogoče videti osamljeno. Ta interakcija tvori nevidno hrbtenico našega makroskopskega sveta. Protoni in nevtroni jemljemo za samoumevne - tako trdno gradijo svoje grajske stene. In njihove mase so večinoma posledica moči njihovih notranjih jedrskih vezi, ne pa posameznih kvarkov.
Močna jedrska sila se ne ustavi na ravni protonov in nevtronov. Lepilo, ki veže kvarke in jim daje oblast nad vsemi drugimi delci, je tako dominantno, da lahko zbere nekaj teh gradov skupaj v trdno trdnjavo, znano kot atomsko jedro. Čeprav ta struktura ni nepredstavljiva, tako kot protoni in nevtroni, vendar je za sestavljanje jedra potrebno ogromno truda.
Kljub temu je z vso svojo dominacijsko močjo doseg kvarkov primeža primeren na njihov grad in bližnjo okolico. To je zato, ker je močna sila v vsej svoji moči močno omejena. To določa velikost trdnjav, gradov in ohranja, da se identificiramo kot nukleon našega sveta. [7 Čudna dejstva o kvarkih]
Obdelava polj
Nad tem omejenim dometom kvarki stalno preverjajo svoje domene in komunicirajo med seboj prek kraljevih sporočil - fotonov. Ti hitri odposlanci skočijo iz vesolja v vesolje in nikoli ne utrujajo, nosijo elektromagnetno silo - elektriko, magnetizem in celo svetlobo - na kateri koli delček, ki ima električni naboj. Ta vpliv se razteza na celotnem vesolju, čeprav seveda dlje kot ste od vira, slabši je učinek.
Ta elektromagnetna vezava ohranja podzemlje subatomskega sveta v skladu, in medtem ko kvarki preživljajo svoje dni v prostem teku v sorazmernem udobju svojih varnih in osamljenih grajskih ohranjevalcev, podtaknjeni "kmetje" - elektroni - opravljajo vse delo v ustvarjanju bogatih različic možnih kemičnih reakcij. Tako je - ubogi, neugledni elektroni se sužnjijo svojim lastnikom kvarkov. Z jedrom, ki ga veže elektromagnetizem - a ponavadi preprečuje dejansko vstopanje po pravilih kvantne mehanike - se elektroni izmenjujejo med atomi, kar nam omogoča kemijo, ki omogoča skoraj vse o našem vsakdanjem življenju.
Vladajoči kvarki bodo z veseljem trgovali, kradli in si izposodili ponižnega elektrona iz sosednje domene in oblikovali svoje gibe s težkim rokovanjem iz fotonov - ne da bi skrbeli za svoje posamezne upanje, sanje ali ambicije (prosto tečejo po vesolju, vijugajo okoli magnetnih polja in tako naprej).
Ležanje v senci
Vendar niso vsi delci v vesolju zadržani pod palcem despotskih kvarkov. Nekateri lahko prosto tečejo po vsem vesolju, ne da bi zaznali močne sile in varno ignorirali površne bleščanje iz vseh mimohodnih fotonov: nevtrinov. Ti srhljivi delci se lahko skrijejo pred očmi, tako šumeči, da smo desetletja mislili, da so popolnoma brez mase.
Nevtrini so tri vrste, in sicer elektro-nevtrino, muonsko-nevtrino in tau-nevtrino, vendar so tako dobro prikriti, da nikoli ne veste, koga gledate. Ko potujejo, lahko kolesarijo skozi maske, ki jih nosijo, in prenašajo svojo identiteto z lahkoto začinjenega vohuna. Njihove maske določajo, kako (občasno) komunicirajo s preostanki delcev v vesolju: Na primer, elektronski nevtrino bo sodeloval le v reakcijah, ki vključujejo elektrone.
Toda zaradi nagajivosti nevtrinov proces, ki ustvarja poseben okus tega delca, ne more vedno teči vzvratno, da bi spet ujel prvotno raznolikost - to je preklopljena identiteta.
Kljub vsem njihovim trikom in podmeram nevtrini niso imuni na vpliv s področij kvarkov. A za takšen učinek so potrebne posebne sile. Strokovni delci, imenovani W in Z bozoni, nosilci šibke jedrske sile, so edini, ki lahko komunicirajo z rogatimi nevtrini. V nekaterih primerih bozoni uspejo pretvoriti nevtrine v bolj skladna bitja, kot so elektroni.
Tudi takrat je to srečna priložnost: večinoma se zahrbtni nevtrini umaknejo brez škode.
Toda nabor spretnosti tistih W in Z bozonov, tajnih borcev črnih delcev sveta delcev, sega še dlje kot le redko srečanje nevtrinov. Prav tako imajo skoraj ekskluziven dostop do notranjega svetišča nukleonske trdnjave in lahko spremenijo eno vrsto kvarkov v drugo. Če nevtron pobegne iz varnosti atomskega jedra, lahko ti posebni bozoni pretvorijo ta delček v bolj stabilen proton.
Zunaj kraljestva
Seveda to ne daje celotne slike subatomskega sveta. Celoten standardni model, naš portret teh drobnih bitij in vse interakcije med njimi so veliko večje in bolj zapletene, kot jih lahko vsebuje nekaj odstavkov. In čeprav je standardni model triumf sodobne fizike, ki se jo skozi desetletja boleče prilega skupaj z zahtevnimi napovedmi in natančnim eksperimentiranjem, je tudi to nepopolna slika našega sveta.
Za prvo ne spada gravitacija, ki jo trenutno najbolje opiše tudi nepopolna splošna teorija relativnosti. Obstajajo tudi dolgotrajna kozmološka vprašanja narave temne snovi in temne energije, o katerih tradicionalni standardni model molči (ker so bili ti pojavi šele nedavno odkriti). Še več: masa nevtrina, hierarhija sil in tako naprej.
Čeprav je standardni model za modeliranje fizičnega sveta še zdaleč ne popoln in morda malce nezadovoljiv v svojem pristopu k žvečenju gumijev in cevi, je neverjetno uporaben. Z neverjetno natančnostjo lahko napoveduje premike in gibe teh subatomskih depozitov in vse njihovo zlobno načrtovanje.
Preberite več o poslušanju epizode "Kdo živi v živalskem vrtu z delci?" v podkastu "Vprašaj vesoljca", ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com. Hvala Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. in @PoZokhr za vprašanja, ki so vodila do tega dela! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paulu @PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter.
