Protonu (priekšplānu) veido trīs kvarki, katram no kuriem ir unikāls īpašums, ko sauc par krāsu. Viņus stingri tur spēcīgais kodolieroču spēks.
(Attēls: © Lawrence Berkeley Nacionālā laboratorija)
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, Jautājiet kosmosa darbiniekam un Kosmosa radio, un autors Tava vieta Visumā. Sutters sniedza ieguldījumu šajā rakstā Space.com ekspertu balsis: op-ed un ieskats.
Visiem četriem zināmajiem dabas spēkiem ir sava unikālā vieta. Smagums, elektromagnētisms, vājš kodols, spēcīgs kodols: katrs no tiem pārvalda nelielu mūsu dzīves jomu. Kamēr mūsu ikdienas pieredzē dominē Zemes smagums un gaismas un ledusskapja magnētu elektromagnētisms, galveno lomu spēlē arī atomu dvīņu spēki - tikai ļoti, ļoti mazos mērogos.
Cik niecīga? Iedomājieties, kā jūs lidojat virsū, lai kļūtu par Saules sistēmas lielumu. Tavas rokas peld cauri Oortas mākonis pašas planētas ligzdo virs tavas vēdera pogas. Jūs esat tik liels, ka elektriskiem signāliem ir vajadzīgas nedēļas vai pat mēneši, lai viņu ceļojums cauri jūsu nervu sistēmai padarītu pat visvienkāršākos žestus sāpīgi lēnus.
Tā ir atšķirība starp jūsu pašreizējo izmēru (aptuveni pāris metriem) un 10 ^ 15 metriem.
Tagad palaidiet to atpakaļgaitā. Iedomājieties mērogu, kas ir tik mazs, ka jūsu pašreizējais ķermenis jūtas tikpat plašs kā Saules sistēma. Skala, kurā jūsu kustības virzās lēnāk. Šis neticami mazais mērogs ir femtometrs: 10 ^ -15 metri. Tas ir atoma kodola mērogs.
Protonā
Sākotnēji šeit ir vilinoši domāt par protonu kā par vienu daļiņu. Cieta čaula ar pozitīvu lādiņu un masu, kas spēj atlēkt un klauvēt tikpat viegli kā biljarda bumba. Bet patiesībā protonu veido no trim mazākām daļiņām. Šīm daļiņām ir apburoši quirks nosaukums. Dabā ir pavisam seši kvarku veidi, taču rūpīgai protona pārbaudei mums ir jārūpējas tikai par diviem no tiem, nosauktajiem augšup un lejup.
Kā es teicu, protons ir kvarku trīskāršs: divi kvarki uz augšu un viens uz leju. Šie kvarki saista kopā kā komanda, un šo saistīto komandu mēs saucam par protonu.
Izņemot, tam nevajadzētu būt nekādai jēgai.
Diviem augšējiem kvarkiem ir tieši tāds pats elektriskais lādiņš (jo tie ir tieši tāda paša veida daļiņas), tāpēc viņiem vajadzētu absolūti ienīst viens otru. Kā viņi paliek tik cieši pielīmēti?
Un vēl jo vairāk, no kvantu mehānikas mēs zinām, ka divi kvarki nevar dalīties tieši vienā un tajā pašā stāvoklī - jums nevar būt, ka divi viena un tā paša veida savienojumi ir savstarpēji saistīti. Šiem diviem kvarkiem nevajadzētu ļaut līdzāspastāvēt. Un tomēr viņi ne tikai pacieš viens otru, bet, šķiet, patiešām izbauda uzņēmumu!
Kas notiek?
Atšķirīga krāsa
Piecdesmitajos un sešdesmitajos gados fiziķi sāka saprast, ka protons nav fundamentāls - to var sadalīt mazākās daļās. Viņi veica ķekars eksperimentu un izstrādāja ķekars teoriju, lai uzlauztu šo konkrēto riekstu. Un viņi uzreiz nonāca līdz a) kvarku esamībai un b) iepriekš minētajiem mīklainajiem mīklainiem.
Kaut kas turēja šos trīs kvarkus kopā. Kaut kas patiešām, tiešām spēcīgs. Jauns dabas spēks.
Spēcīgais spēks.
Toreiz izvirzītais stiprais spēks ar vienkāršu brutālo spēku atrisināja līdzāspastāvējušo kvarku problēmas. Ak, jums nepatīk būt kopā, jo jūs nevarat dalīties vienā stāvoklī? Nu, pārāk slikti, spēcīgais spēks liks jums to darīt jebkurā gadījumā, un tas nodrošinās veidu, kā apiet šo problēmu.
Un katram spēkam ir savienojuma punkts. Āķis. Veids, kā pateikt šim spēkam, cik daudz jūs tas ietekmē. Elektromagnētiskajam spēkam tas ir elektriskais lādiņš. Smaguma dēļ tā ir masa. Spēcīgam kodolieročiem fiziķiem bija jānāk klajā ar jaunu āķi. Veids, kā kvarks ar šī spēka palīdzību var savienoties ar citu kvarku. Un fiziķi izvēlējās vārdu krāsa.
Tātad, ja jums vai daļai, kuru jūs pazīstat, ir šī jaunā īpašība, ko sauc par krāsu, tad jums jāsajūt spēcīgais kodolspēks. Jūsu krāsa var būt viena no sarkanām, zaļām vai zilām (mulsinoši ir arī anti-sarkans, anti-zaļš un anti-zils, jo, protams, dzīve nav tik vienkārša). Lai izveidotu tādu daļiņu kā protons, visām kvarku krāsām jābūt baltām. Tādējādi vienai kvarkai tiek piešķirta sarkana krāsa, otrai - zaļa, bet pēdējai - zila. Konkrētajam krāsas piešķīrumam faktiski nav nozīmes (un patiesībā atsevišķi kvarki nemitīgi maina krāsu), vissvarīgākais ir tas, ka tie visi ir baltā krāsā un ka spēcīgais spēks var veikt savu darbu.
Šī jaunā krāsu īpašība ļauj kvarkiem dalīties protona stāvoklī. Ar krāsu ne viens, ne otrs kvarks nav pilnīgi vienāds - tagad tiem ir dažādas krāsas.
Super izturība
Iedomājieties, ka ņem divus mazus knaibles un satver divus no protonā esošajiem kvarkiem. Jūs strādājat, tāpēc jūs spējat pārvarēt spēcīgo kodolieroču spēku, kas viņus tur kopā.
Bet šeit ir kaut kas dīvains par spēcīgo spēku: Ar attālumu tas nemazinās. Citi spēki, piemēram, gravitācija un elektromagnētisms, to dara. Bet spēcīgais spēks paliek tikpat spēcīgs kā vienmēr, lai arī cik tālu šie kvarki būtu.
Velkot uz šiem kvarkiem, jums ir jāturpina pievienot arvien vairāk enerģijas, lai uzturētu atdalījumu. Jūs galu galā pievienojat tik daudz enerģijas, ka, ja enerģija ir līdzvērtīga masai un tam visam, vakuumā starp kvarkiem parādās jaunas daļiņas. Jaunas daļiņas, piemēram,… citi kvarki.
Šie jaunie kvarki gandrīz uzreiz atrod savus tikko šķirtos draugus un saista kopā, atmetot visu smago darbu un svīstot vienā enerģijas zibspuldzē, pirms attālums starp viņiem ir pat pamanāms. Kad domājat, ka esat atdalījis kvarkus, viņi jau ir atraduši jaunus, kuriem piesaistīties. Šis efekts ir pazīstams kā kvarka norobežojums: Spēcīgais spēks patiesībā ir tik spēcīgs, ka neļauj mums vienmēr redzēt kvarku izolēti.
Tas ir kauns, ka mēs nekad neredzēsim, kāda ir tā krāsa.
Uzziniet vairāk, noklausoties epizodi "Kas padara spēcīgo spēku tik spēcīgu?" Podcast apraidē Ask A Spaceman, kas pieejama iTunes un tīmeklī vietnē http://www.askaspaceman.com. Paldies Kayja N. un Ter B. par jautājumiem, kas noveda pie šī skaņdarba! Uzdodiet savu jautājumu čivināt, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot Polam @PaulMattSutter un facebook.com/PaulMattSutter.
- Fiziķi tikai atklāja ļoti nepāra daļiņu, kas nepavisam nav daļiņa
- Pastāv vairāk nekā viena realitāte (kvantu fizikā)
- Kāpēc fiziķi ir ieinteresēti noslēpumainākajos Quarks no Heftiest Quark
