Co dělá silnou sílu tak zvláštní?

Paul M. Sutter je astrofyzik na Ohio State University, řada Zeptat Kosmonauta a Místo Rádia, a autor Své Místo ve Vesmíru. Sutter přispěl tímto článkem Space.com odborné hlasy: op-Ed & Insights.

všechny čtyři známé přírodní síly mají své vlastní jedinečné místo. Gravitace, elektromagnetismus, slabý jaderný, silný jaderný: každý z nich řídí nějakou malou doménu našeho života. Při naší každodenní zkušenosti jsou ovládány gravitací Země a elektromagnetismu, světla a magnety na lednici, twin jaderných sil hrát klíčové role, příliš — jen na velmi, velmi drobné šupiny.

jak malé? Představte si, že se vznášíte, abyste se stali velikostí sluneční soustavy. Vaše ruce plavou samotným Oortovým mrakem, planety se hnízdí nad Vaším pupkem. Jste tak velcí, že elektrické signály trvají týdny nebo dokonce měsíce, než se vydají na cestu nervovým systémem, takže i ta nejjednodušší gesta jsou bolestně pomalá.

to je rozdíl mezi vaší aktuální velikostí (zhruba pár metrů) a 10^15 metrů.

související: jaká je silná síla?

nyní jej spusťte obráceně. Představte si měřítko tak malé, že vaše současné tělo se cítí stejně obrovské jako sluneční soustava. Stupnice, kde vaše pohyby eke podél na nejpomalejší kroků. Tato neuvěřitelně malá stupnice je femtometr: 10^-15 metrů. Je to měřítko atomového jádra.

do protonu

odtud je lákavé uvažovat o protonu jako o jediné částici. Tvrdá skořápka kladného náboje a hmoty, schopná odrazit a zaklepat stejně snadno jako kulečníková koule. Ve skutečnosti je však proton vyroben ze tří menších částic. Tyto částice mají nádherně nepředvídatelný název kvarků. V přírodě je celkem šest druhů kvarků, ale pro naše důkladné zkoumání protonu se musíme starat pouze o dva z nich, pojmenované kvarky nahoru a dolů.

jak jsem řekl, proton je trojice kvarků: dva kvarky nahoru a jeden kvark dolů. Tyto kvarky se spojují jako tým a tento vázaný tým je to, čemu říkáme proton.

až na to, že by to nemělo dávat smysl.

dva up kvarky mají stejný elektrický náboj (protože jsou přesně stejný druh částice), takže by měly absolutně nenávidí. Jak zůstávají tak pevně přilepené?

a co víc, z kvantové mechaniky víme, že dva kvarky nemohou sdílet přesně stejný stav — nemůžete mít dva stejného druhu takto svázané. Těm dvěma kvarkům by nemělo být dovoleno, aby spolu takto koexistovali. A přesto se nejen navzájem tolerují,ale zdá se, že si společnost opravdu užívají!

Co se děje?

Jiná Barva

v padesátých a 60. letech si fyzici začali uvědomovat, že proton není zásadní-lze jej rozdělit na menší části. Takže udělali spoustu experimentů a vyvinuli spoustu teorií, aby rozlouskli tento konkrétní ořech. A okamžitě narazili na a) existenci kvarků a b) záhadné hlavolamy výše.

něco drželo ty tři kvarky pohromadě. Něco opravdu, opravdu silného. Nová síla přírody.

silná síla.

tehdy předpokládaná silná síla vyřešila problémy koexistujících kvarků jednoduchou hrubou silou. Vy nechcete být spolu, protože nemůžete sdílet stejný stát? No, škoda, silná síla vás k tomu stejně donutí a poskytne Vám způsob, jak tento problém vyřešit.

a každá síla má spojovací bod. Hák. Způsob, jak říct této síle, jak moc vás to ovlivňuje. Pro elektromagnetickou sílu je to elektrický náboj. Pro gravitaci je to Hmotnost. Pro silnou jadernou sílu museli fyzici přijít s novým háčkem. Způsob, jak se kvark připojit k jinému kvarku prostřednictvím této síly. A fyzici si vybrali slovo Barva.

Související: Fyzikové Vyřešili 35-Rok-Staré Tajemství Skryté Uvnitř Atomových Jader

Tak pokud vy nebo částice víš, má novou vlastnost nazvanou barvy, pak se budeš cítit silná jaderná síla. Vaše barva může být červená, zelená nebo modrá (matoucí je také anti-červená, anti-zelená a anti-modrá, protože život samozřejmě není tak jednoduchý). Chcete-li vytvořit částici jako proton, musí se všechny barvy kvarků přidat do bílé. Jeden kvark je tedy přiřazen jako červený, druhý jako zelený a poslední jako Modrý. Konkrétní přiřazení barva není ve skutečnosti na tom (a, ve skutečnosti, že jednotlivé kvarky neustále mění barvu), na čem záleží, je to, že všechny přidat až do bílé a silné síly může dělat svou práci.

tato nová vlastnost barvy umožňuje kvarkům sdílet stav uvnitř protonu. S barvou nejsou žádné dva kvarky úplně stejné — nyní mají různé barvy.

Super síla

Představte si, že vezmete dvě malé kleště a popadnete dva kvarky v protonu. Cvičíte, takže jste schopni překonat sílu silné jaderné síly, která je drží pohromadě.

ale tady je něco divného o silné síle: s odstupem se nezmenšuje. Jiné síly, jako gravitace a elektromagnetismus, dělat. Ale silná síla zůstává stejně silná jako vždy, bez ohledu na to, jak daleko jsou tyto kvarky od sebe.

takže když taháte za tyto kvarky, musíte stále přidávat více a více energie, abyste udrželi oddělení. Nakonec přidáte tolik energie, že energie je ekvivalentní hmotnosti a tak, nové částice se objevují ve vakuu mezi kvarky. Nové částice jako … jiné kvarky.

Tyto nové kvarky téměř okamžitě najít své nově oddělené přátele a svázat dohromady, házet všechny vaše tvrdá práce a pot v jediném záblesku energie, než vzdálenost mezi nimi je i patrné. V době, kdy si myslíte, že jste oddělili kvarky, už našli nové, na které se můžete vázat. Tento efekt je znám jako omezení kvarků: Silná síla je ve skutečnosti tak silná, že nám brání vidět kvark v izolaci.

je škoda, že nikdy neuvidíme, jaká je jeho barva.

Více se dozvíte poslechem epizody “ co dělá silnou sílu tak silnou?“na podcastu Ask a Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu na adrese http://www.askaspaceman.com. Díky Kayja N. A Ter b. za otázky, které vedly k tomuto dílu! Zeptejte se na vlastní otázku na Twitteru pomocí # AskASpaceman nebo následováním Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.

• Fyzici Prostě Zjištěn Velmi Zvláštní Částice, Která Není Částic
• Více Než Jeden Realita Existuje (v Kvantové Fyzice)
• důvod, Proč Fyzikové Se Zajímají o Tajemné Vtípky z Heftiest Quark

Sledujte nás na Twitteru @Spacedotcom a na Facebook.