Hvad gør den stærke kraft så speciel?

Paul M. Sutter er astrofysiker ved Ohio State University, vært for Ask a Spaceman and Space Radio, og forfatter til dit sted i universet. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com ‘s ekspert stemmer: op-Ed & indsigt.

alle fire kendte naturkræfter har deres eget unikke sted. Tyngdekraft, elektromagnetisme, svag nuklear, stærk nuklear: hver enkelt styrer et lille domæne i vores liv. Mens vores daglige oplevelser domineres af jordens tyngdekraft og elektromagnetismen af lys og køleskabsmagneter, de to atomkræfter spiller nøgleroller, også — bare i meget, meget små skalaer.

hvor lille? Forestil dig, at du ballonerer op for at blive størrelsen på solsystemet. Dine hænder svømmer gennem selve Oort-skyen, planeterne ligger over din navle. Du er så stor, at elektriske signaler tager uger eller endda måneder at gøre deres rejse gennem dit nervesystem, hvilket gør selv de enkleste bevægelser smertende langsomme.

det er forskellen mellem din nuværende størrelse (ca.et par meter) og 10^15 meter.

RELATERET: Hvad er den stærke kraft?

kør det nu omvendt. Forestil dig en skala så lille, at din nuværende krop føles så stor som solsystemet. En skala,hvor dine bevægelser går langsomst. Denne utroligt lille skala er femtometeret: 10^-15 meter. Det er atomkernens størrelse.

ind i protonen

fra vejen op her er det fristende at tænke på protonen som en enkelt partikel. En hård skal med positiv ladning og masse, der er i stand til at hoppe og banke lige så let som en billardkugle. Men i virkeligheden er en proton lavet af tre mindre partikler. Disse partikler har det dejligt finurlige navn kvarker. Der er i alt seks slags kvarker i naturen, men for vores nøje undersøgelse af protonen behøver vi kun at bekymre os om to af dem, der hedder op og ned kvarker.

som jeg sagde, er en proton en triplet af kvarker: to op kvarker og en ned kvark. Disse kvarker binder sammen som et hold, og det bundne hold er det, vi kalder en proton.

undtagen, det burde ikke give mening.

de to op kvarker har nøjagtig samme elektriske ladning (fordi de er nøjagtig samme slags partikel), så de burde absolut hader hinanden. Hvordan forbliver de så tæt limet?og hvad mere er, vi ved fra kvantemekanik, at to kvarker ikke kan dele den nøjagtige samme tilstand-du kan ikke have to af samme art bundet sammen sådan. Disse to op kvarker bør ikke have lov til at eksistere sammen sådan. Og alligevel tolererer de ikke kun hinanden, men synes virkelig at nyde virksomheden!

Hvad sker der?

en anden farve

i 1950 ‘erne og 60’ erne begyndte fysikere at indse, at protonen ikke er grundlæggende — den kan opdeles i mindre dele. Så de gjorde en masse eksperimenter og udviklede en masse teorier for at knække den pågældende møtrik. Og de løb straks ind i A) eksistensen af kvarker og b) de gådefulde conundrums ovenfor.

noget holdt de tre kvarker sammen. Noget virkelig, virkelig stærkt. En ny naturkraft.

den stærke kraft.

den daværende hypotese stærke kraft løste problemerne med sameksisterende kvarker ved simpel brutal kraft. Åh, du kan ikke lide at være sammen, fordi du ikke kan dele den samme stat? Nå, ærgerligt, den stærke kraft vil få dig til at gøre det alligevel, og det vil give en vej rundt om det problem.

og hver kraft har et forbindelsespunkt. Krog. En måde at fortælle den kraft, hvor meget du er påvirket af det. For den elektromagnetiske kraft er det den elektriske ladning. For tyngdekraften er det massen. For den stærke atomkraft måtte fysikere komme med en ny krog. En måde for en kvark at oprette forbindelse til en anden kvark via denne kraft. Og fysikere valgte ordet farve.fysikere har lige løst et 35-årigt mysterium skjult inde i atomkerner

så hvis du eller en partikel, du kender, har denne nye egenskab kaldet farve, så kommer du til at føle den stærke atomkraft. Din farve kan være en af rød, grøn eller blå (forvirrende er der også anti-rød, anti-grøn og anti-blå, fordi livet selvfølgelig ikke er så simpelt). For at opbygge en partikel som en proton skal alle kvarkernes farver tilføje op til hvidt. Således får den ene kvark tildelt rød, den anden tildelt grøn, og den sidste tildelt Blå. Den særlige tildeling af farve betyder faktisk ikke noget (og faktisk ændrer de enkelte kvarker konstant farve), det der betyder noget er, at de alle tilføjer hvidt, og at den stærke kraft kan gøre sit arbejde.

denne nye egenskab af farve er det, der gør det muligt for kvarkerne at dele en tilstand inde i en proton. Med farve er ikke to kvarker nøjagtigt ens-de har nu forskellige farver.

Super styrke

Forestil dig at tage to små tænger og gribe to af kvarkerne i protonen. Du træner, så du er i stand til at overvinde styrken af den stærke atomkraft, der holder dem sammen.

men her er noget underligt ved den stærke kraft: det mindskes ikke med afstand. Andre kræfter, som tyngdekraft og elektromagnetisme, gør. Men den stærke kraft forbliver lige så stærk som den altid er, uanset hvor langt fra hinanden disse kvarker er.

så når du trækker på disse kvarker, skal du fortsætte med at tilføje mere og mere energi for at opretholde adskillelsen. Du tilføjer til sidst så meget energi, at energi svarer til masse og alt det, nye partikler vises i vakuumet mellem kvarkerne. Nye partikler som … andre kvarker.

disse nye kvarker finder næsten øjeblikkeligt deres nyligt adskilte venner og binder sammen, kaster alt dit hårde arbejde og sveder væk i en enkelt flash af energi, før afstanden mellem dem endda er mærkbar. Når du tror, du har adskilt kvarkerne, har de allerede fundet nye at binde til. Denne effekt er kendt som kvark indespærring: Den stærke kraft er faktisk så dang stærk, at den forhindrer os i nogensinde at se en kvark isoleret.

det er en skam, at vi aldrig får se, hvad dens farve er.

Lær mere ved at lytte til episoden “Hvad gør den stærke kraft så stærk?”på Ask a Spaceman podcast, tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Kayja N. og Ter B. For de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på kvidre hjælp # AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.fysikere har lige opdaget en meget mærkelig partikel, der slet ikke er en partikel

Følg os på kvidre @Spacedotcom og på Facebook.