Reibinošs daļiņu, spēku un lauku klāsts diktē subatomisko bāzi visam, ko mēs redzam.
Pols Sutters ir Ohaio štata universitātes astrofiziķis un galvenais zinātnieks COSI zinātnes centrā. Sutters ir arī vietņu "Ask a Spaceman" un "Space Radio" saimnieks un ved AstroTours visā pasaulē. Sutters pievienoja šo rakstu Space.com ekspertu balsīm: Op-Ed & Insights.
Lai apmeklētu patiesi dīvainu zemi, kas pilna brīnumu un noslēpumu, jums nav jāraujas pa maģisku skapi, jābrauc cauri lidojošai būtnei, kurai nevajadzētu ļaut lidot vai pārgalvīgi lēkt caur portālu citā dimensijā. Nē, viss, kas jums jādara, ir kreka, atveriet daļiņu paātrinātāju un paskatieties uz leju, uz leju, uz leju.
Subatomiskajā līmenī patiesā dabas daudzveidība un krāšņums ir parādīts pilnā skaitā ar reibinošu daļiņu, spēku un lauku masīvu, kas visu čukst un virmo, un ko regulē gandrīz neizsakāmi fizikas likumi. Tomēr kaut kā tā vietā, lai radītu haotisku putru, visas viņu sarežģītās mijiedarbības rada regulāru, sakārtotu, rakstainu makroskopisko pasauli, ar kuru mēs esam iepazinušies. [Dīvaini Quarks un Muons, Oh My! Dabas smalkākās sadalītās daļiņas (infografika)]
Var saprast šo niecīgo pasauli, kas nodalīta stingrā hierarhijā, ar skaidrām līnijām starp valdniekiem un valdītajiem, starp tiem, kas ērti sēž savās stabilajās pilīs, un zemiskajiem zemniekiem, kuri patiesībā saņem darbu. Dažādu iemītnieku mijiedarbību akmenī ieliek nemainīgi noteikumi: Visiem ir vieta, un katram ir sava vieta.
Nāc, apmeklēsim.
Ir labi būt karalim
Tā centrā ir vismasīvākās stabilās daļiņas: augšup un lejup kvarki. Viņu ilgmūžība ļauj viņiem sasaistīties gandrīz neiesaistāmos cietokšņos: nukleona pilīs, kas pazīstamas kā protoni un neitroni. Bet ne paši kvarki veic darbu, lai uzturētu šīs nukleoniskās citadeles. Patiešām, visu kvarku kodola masa kodolā ir daudz mazāka par protona vai neitrona masu.
Tā vietā augšup un lejup esošie kvarki ir piesātināti ar īpašām spējām, kas nav zināmas pārējām karaļvalsts daļiņām. Viņi var sajust spēcīgu kodolspēku. Tas ir līdz šim visspēcīgākais spēks, kas tik intensīvi salīmē kvarkus, ka vienu no tiem nekad nevar redzēt izolēti. Šī mijiedarbība veido neredzētu mūsu makroskopiskās pasaules mugurkaulu. Mēs protonus un neitronus uzskatām par pašsaprotamiem - tik stingri viņi veido savas pils sienas. Un viņu masas lielākoties ir saistītas ar to iekšējo kodolsavienojumu izturību, nevis atsevišķiem kvarkiem.
Spēcīgais kodolenerģijas spēks neapstājas protonu un neitronu līmenī. Līme, kas saista kvarkus, dodot tiem valdību pār visām citām daļiņām, ir tik dominējoša, ka tā var savākt dažas no šīm pilīm kopā izturīgā cietoksnī, kas pazīstams kā atomu kodols. Kaut arī šī struktūra nav neiespējama, piemēram, paši protoni un neitroni, kodola nomākšana joprojām prasa milzīgas pūles.
Tomēr visu savu valdonīgo spēku dēļ kvarku vice-līdzīgais satvēriens ir sasniedzams tikai ar to konkrēto pili un tuvējo apkārtni. Tas ir tāpēc, ka spēcīgais spēks visiem tā spēkiem ir stipri ierobežots. Tas nosaka cietokšņu, piļu lielumu un uztur tos, kurus mēs identificējam kā mūsu pasaules kodolus. [7 dīvaini fakti par kvarkiem]
Lauku pārklāšana
Ārpus šī ierobežotā diapazona kvarki kontrolē savus domēnus un savstarpēji sazinās, izmantojot karaliskos vēstnešus - fotonus. Šie ātro kāju sūtņi lēcienā no vienas vietas uz otru Visumā nekad nav nogurdinoši, nesot elektromagnētisko spēku - elektrību, magnētismu un pat pašu gaismu - uz visām daļiņām, kurām ir elektriskais lādiņš. Šī ietekme sniedzas visā kosmosā, lai gan, protams, jo tālāk jūs atrodaties no avota, jo vājāka ir šī ietekme.
Šī elektromagnētiskā saistīšana uztur subatomiskās pasaules apakšdaļu rindā, un, kamēr kvarki savas dienas pavada dīkstāvē savas drošās un nošķirtās pils relatīvajā komfortā, pazeminātie "zemnieki" - elektroni - veic visu darbu, lai padarītu bagātīgās variācijas. ķīmisko reakciju iespējamība. Pareizi - tieši nabadzīgie, nezinošie elektroni verdzina savus kvarka meistarus. Kodolu saistot ar elektromagnētismu, bet parasti tas netiek faktiski iekļuvis, izmantojot kvantu mehānikas noteikumus, elektroni tiek apmainīti starp atomiem, dodot mums ķīmiju, kas padara iespējamu gandrīz visu mūsu ikdienas dzīvi.
Valdošie kvarki ar prieku tirgos, nozags un aizņemsies pazemīgu elektronu no kaimiņu domēna, veidojot viņu kustības ar smagu roku, kas izliekas no fotoniem - nerūpējoties par viņu individuālajām cerībām, sapņiem vai ambīcijām (brīvi plūst cauri Visumam, vijas apkārt magnētiskajam) lauki un tā tālāk).
Lurking ēnas
Bet ne visas Visuma daļiņas tiek turētas zem despotisko kvarku īkšķiem. Daži no tiem var brīvi plūst visā Visumā, nejūtot spēcīgo spēku un droši neņemot vērā neveiklo spīdumu no visiem ietošajiem fotoniem: neitrīniem. Šīs spokainās daļiņas var paslēpties redzamā vietā, tik dzirkstošas, ka gadu desmitiem ilgi mēs domājām, ka tās ir pilnīgi bezspēcīgas.
Neitrīni ir trīs veidu - elektronu neitrīno, muonu neitrīno un tau-neitrīno, taču tie ir tik labi nomaskēti, ka nekad nezināt, kuru skatāt. Ceļojot viņi var pārvietoties pa maskām, kuras nēsā, mainot savu identitāti ar viegli pieredzējuša spiega palīdzību. Viņu maskas nosaka, kā viņi (reizēm) mijiedarbojas ar pārējām Visuma daļiņām: Piemēram, elektronu neitrīno piedalīsies tikai reakcijās, kurās iesaistīti elektroni.
Bet neitrīnu nepatīkamās dabas dēļ procesu, kas rada šai daļiņai īpašu garšu, ne vienmēr var veikt pretēji, lai atkal iegūtu sākotnējo šķirni - tā ir mainītā identitāte.
Tomēr neraugoties uz visiem triku un nepakļaujamības pakāpi, neitrīni nav imūni ietekmēti no kvarku domēniem. Bet, lai šāda veida ietekme rastos, nepieciešami īpaši spēki. Ekspertu daļiņas, ko sauc par W un Z bozoniem, kas ir vājā kodolspēka nesēji, ir vienīgās, kuras spēj sazināties ar neveikliem neitrīniem. Dažos gadījumos bozoniem izdodas neitrīnus pārveidot par atbilstošākiem radījumiem, piemēram, elektroniem.
Pat tad tā ir laimīga iespēja: lielāko daļu laika nekrietnie neitrīni atbrīvojas no skotijas.
Bet šo W un Z bozu, slepeno daļiņu pasaules melno operāciju cīnītāju, prasmju kopums sniedzas tālāk nekā tikai reti sastopamā neitrīno parādība. Viņiem ir arī gandrīz ekskluzīva pieeja nukleona cietokšņa iekšējai svētai un viņi var mainīt viena veida kvarku uz citu. Ja neitrons izkļūst no atomu kodola drošības, šie īpašie bozoni var pārveidot šo daļiņu stabilākā protonā.
Ārpus valstības
Protams, tas nesniedz pilnīgu priekšstatu par subatomisko pasauli. Viss standarta modelis, mūsu šo sīko radījumu portrets un visu to mijiedarbība ar visiem cilvēkiem ir daudz lielāks un sarežģītāks, nekā var ietvert dažās rindkopās. Un, lai arī standarta modelis ir mūsdienu fizikas triumfs, kas gadu desmitiem ir sāpīgi salikts kopā ar prasīgām prognozēm un precīziem eksperimentiem, tas arī ir nepilnīgs mūsu pasaules attēls.
Pirmkārt, tas neietver smagumu, kuru šobrīd vislabāk raksturo nepilnīga vispārējā relativitātes teorija. Ir arī pastāvīgie kosmoloģiskie jautājumi par tumšās matērijas un tumšās enerģijas raksturu, par kuriem tradicionālais standarta modelis klusē (jo šīs parādības tika atklātas tikai nesen). Tur ir vairāk: neitrīno masa, spēku hierarhija un tā tālāk.
Bet, kaut arī tas ir tālu no pilnīgas un, iespējams, nedaudz neapmierinošs attiecībā uz košļājamās gumijas un kanālu lentes pieeju fiziskās pasaules modelēšanai, tas ir neticami noderīgs. Tas ar pārsteidzošu precizitāti var paredzēt šo subatomisko iedzīvotāju kustības un kustības, kā arī visu viņu niecīgo shēmu.
Uzziniet vairāk, noklausoties epizodi "Kas dzīvo daļiņu zoodārzā?" Podcast apraidē “Ask a Spaceman”, kas pieejama iTunes un tīmeklī vietnē http://www.askaspaceman.com. Paldies Alessandro M., Rodžerim, Martinam N., Danielam C. un @PoZokhr par jautājumiem, kas noveda pie šī skaņdarba! Uzdodiet savu jautājumu čivināt, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot Polam @PaulMattSutter un facebook.com/PaulMattSutter.
