Spēcīgais kodolspēks, kā jūs jau varējāt nojaust, patiešām ir ļoti spēcīgs spēks. Tas ir tik spēcīgs, ka spēj ļoti garu laiku, iespējams, uz visiem laikiem, savilkt dažas no vissīkākajām daļiņām Visumā. Daļiņas, kuras saista spēcīgais spēks, veido mūsu ikdienas pasaules celtniecības blokus: protonus un neitronus. Bet, ja jūs sagrieztu protonu vai neitronu, jūs neatrastu jauku, vienkāršu subatomisko daļiņu izkārtojumu. Tā vietā jūs redzētu, iespējams, viena no vissarežģītākajiem spēkiem Visumā.
Protoni un neitroni nav vienīgās lietas, ko spēcīgais spēks spēj radīt, bet mēs īsti nesaprotam citus sarežģītākos un eksotiskos sakārtojumus. Turklāt pat mūsu novērojumi un eksperimenti paši par sevi ir ļoti ieskicēti. Bet fiziķiem ir smagi strādāt, cenšoties apkopot ieskatu par šo pamata dabas spēku.
Spēcīgs un sarežģīts
Lai aprakstītu spēcīgo spēku, vislabāk to pretstatīt tā daudz slavenākajam brālēnam - elektromagnētiskajam spēkam. Ar elektromagnētisko spēku lietas ir vienkāršas, vieglas un saprotamas; tik daudz, ka zinātnieki pagājušā gadsimta četrdesmitajos gados to galvenokārt spēja izdomāt. Ar elektromagnētisko spēku jebkura daļiņa var pievienoties partijai, ja vien tai ir īpašums, ko sauc par elektrisko lādiņu. Ja jums ir šī uzlāde, jūs jūtaties un reaģējat uz elektromagnētisko spēku. Un visu veidu svītru un garšu daļiņas satur elektrisko lādiņu, tāpat kā jūsu dārza šķirnes elektrons.
Cita daļiņa, gaismas daļiņa (pazīstama arī kā fotons), veic elektromagnētiskā spēka pārnešanu no vienas uzlādētas daļiņas uz otru. Fotonam pašam nav sava elektriskā lādiņa, un tas ir bezsvara. Tas pārvietojas ar gaismas ātrumu, švīkstot uz priekšu un atpakaļ pa Visumu, liekot notikt elektromagnētismam.
Elektriskais lādiņš. Viens elektromagnētiskā spēka nesējs. Vienkāršs, tiešs.
Turpretī ir sešas daļiņas, kuras ir pakļautas spēcīgam kodolieroču spēkam. Kā grupu viņi tiek dēvēti par kvarkiem, un tiem ir pietiekami quirky vārdi, piemēram, augšā, lejā, augšā, apakšā, dīvaini un šarmu. Lai sajustu spēcīgo kodolieroču spēkus un reaģētu uz tiem, šiem kvarkiem ir sava maksa. Tas nav elektriskais lādiņš (kaut arī viņiem ir arī elektriskais lādiņš un viņi arī izjūt elektromagnētisko spēku), bet dažādu iemeslu dēļ, kas lietas padara patiesi neskaidras, fiziķi šo īpašo lādiņu, kas saistīts ar spēcīgo atomu spēku, sauc par krāsas lādiņu.
Kvarkiem var būt viena no trim krāsām, ko sauc par sarkanu, zaļu un zilu. Tikai precizēšanai, tās nav faktiskās krāsas, bet tikai etiķetes, kuras mēs piešķiram šim dīvainajam, lādiņam līdzīgajam īpašumam.
Tātad, kvarki izjūt spēcīgu spēku, bet, lai precīzi izteiktu, to nes vesela daļa citu daļiņu - astoņas. Viņus sauc par gluoniem, un viņi patiešām paveic lielisku darbu, gaidot to ... salīmējot kvarkus. Arī gluoniem piemīt spēja un vēlme nest savu krāsu lādiņu. Un viņiem ir masa.
Seši kvarki, astoņi gluoni. Kvarki var mainīt savu krāsu lādiņu, un arī gluoni - jo kāpēc gan nē.
Tas viss nozīmē, ka spēcīgais kodolspēks ir daudz sarežģītāks un sarežģītāks nekā tā elektromagnētiskais brālēns.
Dīvaini spēcīgi
Labi, es meloju. Fiziķi šo kvarku un gluonu īpašību sauca ne tikai par krāsu lādiņu tāpēc, ka viņi to jutās, bet tāpēc, ka tas kalpo kā noderīga analoģija. Gluoni un kvarki var sasaistīties, veidojot lielākas daļiņas, ja vien visas krāsas veido baltu, tāpat kā sarkanā, zilā un zaļā gaisma veido baltu gaismu… Visizplatītākā kombinācija ir trīs kvarki, katrs pa sarkanu, zaļu, un zils. Bet šeit analoģija kļūst nedaudz viltīga, jo katram atsevišķam kvarkam jebkurā brīdī var būt kāda no tai piešķirtajām krāsām; svarīgs ir kvarku skaits, lai iegūtu pareizās kombinācijas. Tātad jums var būt trīs kvarku grupas, lai izveidotu pazīstamos protonus un neitronus. Jūs varat arī piestiprināt kvarku ar tā pretkvarku, kur krāsa izzūd pati (piemēram, zaļos pāros ar anti-zaļu, un nē, es to vienkārši neveidoju, ejot garām), lai izveidotu daļiņu veids, kas pazīstams kā mezons.
Bet ar to nebeidzas.
Teorētiski jebkura kvarku un gluonu kombinācija, kas veido balto krāsu, dabā ir tehniski pieļaujama.
Piemēram, divi mezoni - katrs ar diviem kvarkiem to iekšpusē - var potenciāli saistīties kopā kaut ko sauc par tetrakvarku. Un dažos gadījumos jūs varat pievienot piekto kvarku maisījumam, joprojām līdzsvarojot visas krāsas, ko sauca (jūs uzminējāt) par piecu kvarku.
Tetraquark nav pat tehniski jāsaista vienā daļiņā. Tās var vienkārši eksistēt netālu viena no otras, padarot to, ko sauc par hidrona molekulu.
Un cik tas ir traki: pašiem gluoniem, iespējams, pat nav vajadzīga kvarca, lai izveidotu daļiņu. Visumā var vienkārši izliekties gluonu bumba, kas ir samērā stabila. Tos sauc par glueballs. Visu iespējamo saistīto stāvokļu diapazonu, ko pieļauj spēcīgs kodolieroču spēks, sauc par quarkonium spektru, un tas nav nosaukums, ko izveidojis Sci-Fi televīzijas šovu autors. Ir visdažādākās trako potenciālo kvarku un gluonu kombinācijas, kas tikai varētu pastāvēt.
Tātad viņi?
Quark varavīksne
Var būt.
Fiziķi jau vairākus desmitus gadu veic spēcīgus kodolenerģijas eksperimentus, piemēram, Bībera eksperimentu un dažus Lielā hadronu sadursmē, gadu gaitā lēnām palielinot enerģijas līmeni, lai dziļāk un dziļāk pārbaudītu quarkonium spektru (un jā jums ir mana atļauja izmantot šo frāzi jebkurā teikumā vai gadījuma sarunā, kuru vēlaties, tas ir tik satriecoši). Šajos eksperimentos fiziķi ir atraduši daudzas eksotiskas kvarku un gluonu kolekcijas. Eksperimentālisti viņiem piešķir bailīgus vārdus, piemēram, χc2 (3930).
Šīs eksotiskās potenciālās daļiņas eksistē tikai īslaicīgi, bet daudzos gadījumos eksistē pārliecinoši. Bet fiziķiem ir grūti savienot šīs īslaicīgi saražotās daļiņas ar teorētiskajām, kuras mums vajadzētu eksistēt, piemēram, tetrakvarki un glueballs.
Savienojuma veidošanas problēma ir tā, ka matemātika ir patiešām sarežģīta. Atšķirībā no elektromagnētiskā spēka, ir ļoti grūti izdarīt pamatotas prognozes, kas saistītas ar spēcīgu kodolspēku. Tas notiek ne tikai sarežģītās mijiedarbības starp kvarkiem un gluoniem dēļ. Pie ļoti lielām enerģijām spēcīgā kodolenerģijas spēks faktiski sāk vājināties, ļaujot matemātikai vienkāršoties. Bet ar zemāku enerģiju, piemēram, enerģiju, kas nepieciešama, lai sasaistītu kvarkus un gluonus, lai izveidotu stabilas daļiņas, spēcīgais kodolenerģijas spēks patiesībā ir, labi, ļoti spēcīgs. Paaugstināta izturība apgrūtina matemātikas izdomāšanu.
Teorētiskie fiziķi ir izvirzījuši daudz tehnikas, kā risināt šo problēmu, bet pašas metodes ir nepilnīgas vai neefektīvas. Kaut arī mēs zinām, ka daži no šiem eksotiskajiem stāvokļiem pastāv quarkonium spektrā, ir ļoti grūti paredzēt to īpašības un eksperimentālos parakstus.
Tomēr fiziķi smagi strādā, kā vienmēr. Lēnām laika gaitā mēs veidojam savu eksotisko daļiņu kolekciju, kas ražota sadursmēs, un labāk un labāk prognozējam, kā vajadzētu izskatīties teorētiskajiem quarkonium stāvokļiem. Spēles lēnām notiek kopā, dodot pilnīgāku priekšstatu par šo savādo, bet pamatjēdzību mūsu Visumā.
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, Jautājiet kosmosa darbiniekam un Kosmosa radio, un autors Tava vieta Visumā.
