Mikä tekee vahvasta voimasta niin erityisen?

Paul M. Sutter on astrofyysikko Ohion osavaltionyliopistossa, Ask A Spaceman-ja Space Radio-ohjelmien juontaja ja Your Place in the Universe-kirjan kirjoittaja. Sutter osaltaan tämän artikkelin Space.com ”s Expert Voices: Op-Ed & Insights.

kaikilla neljällä tunnetulla luonnonvoimalla on oma ainutlaatuinen paikkansa. Painovoima, sähkömagnetismi, heikko ydinenergia, vahva ydinenergia: jokainen hallitsee jotakin elämämme pientä aluetta. Vaikka maapallon painovoima ja valon ja jääkaappimagneettien sähkömagnetismi hallitsevat jokapäiväisiä kokemuksiamme, myös kahdella ydinvoimalla on keskeinen rooli — vain hyvin, hyvin pienillä mittakaavoilla.

kuinka pieni? Kuvittele itsesi kuumailmapalloilemassa aurinkokunnan kokoiseksi. Kätesi uivat itse Oortin pilven läpi, planeetat pesivät napasi yläpuolella. Olet niin suuri, että sähkösignaalien matka hermoston läpi kestää viikkoja tai jopa kuukausia, jolloin yksinkertaisimmatkin eleet ovat tuskallisen hitaita.

se on ero nykyisen kokosi (noin pari metriä) ja 10^15 metrin välillä.

aiheeseen liittyvää: mikä on vahva voima?

nyt, aja se takaperin. Kuvittele mittakaava, joka on niin pieni, että nykyinen kehosi tuntuu yhtä suurelta kuin aurinkokunta. Asteikko, jossa liikkeesi etenevät hitaimmalla vauhdilla. Tämä uskomattoman pieni mittakaava on femtometri: 10^-15 metriä. Se on atomiytimen mittakaava.

Protoniin

täältä ylhäältä päin on houkuttelevaa ajatella protonia yhtenä hiukkasena. Kova positiivisen varauksen ja massan kuori, joka pystyy pomppimaan ja koputtamaan yhtä helposti kuin biljardipallo. Todellisuudessa protoni koostuu kolmesta pienemmästä hiukkasesta. Näillä hiukkasilla on ihastuttavan omituinen kvarkkien nimi. Luonnossa on yhteensä kuutta erilaista kvarkkia, mutta tarkempaa protonin tutkimista varten meidän tarvitsee välittää vain kahdesta kvarkista, jotka ovat nimeltään ylös-ja alas-kvarkit.

kuten sanoin, protoni on kvarkkien tripletti: kaksi ylös-kvarkkia ja yksi alas-kvarkki. Nämä kvarkit sitoutuvat yhteen tiiminä, ja sitova ryhmä on niin sanottu protoni.

paitsi, että siinä ei pitäisi olla mitään järkeä.

kahdella ylhäällä olevalla kvarkilla on täsmälleen sama sähkövaraus (koska ne ovat täsmälleen samanlaisia hiukkasia), joten niiden pitäisi ehdottomasti vihata toisiaan. Miten ne pysyvät niin tiukasti liimattuina?

ja mikä parasta, tiedämme kvanttimekaniikasta, että kaksi kvarkkia ei voi jakaa täsmälleen samaa tilaa — ei voi olla kahta samanlaista sidottuna toisiinsa sillä tavalla. Noiden kahden kvarkin ei pitäisi antaa elää rinnakkain. Ja silti he eivät ainoastaan siedä toisiaan, vaan näyttävät todella nauttivan seurasta!

Mitä tapahtuu?

erivärinen

1950 — ja 60-luvuilla fyysikot alkoivat ymmärtää, että protoni ei ole perustavanlaatuinen-se voidaan jakaa pienempiin osiin. Joten he tekivät joukon kokeita ja kehittivät joukon teorioita murtaakseen sen tietyn pähkinän. Ja he törmäsivät välittömästi a) kvarkkien olemassaoloon ja B) yllä oleviin arvoituksellisiin ristiriitoihin.

jokin piti noita kolmea kvarkkia koossa. Jotain todella vahvaa. Uusi luonnonvoima.

vahva voima.

silloinen hypoteettinen vahva voima ratkaisi rinnakkaisten kvarkkien ongelmat yksinkertaisella raa ’ alla voimalla. Etkö pidä yhdessäolosta, koska et voi jakaa samaa osavaltiota? Harmi, vahva voima saa sinut tekemään sen joka tapauksessa, ja se tarjoaa keinon kiertää se ongelma.

ja jokaisella voimalla on liitospiste. Koukku. Se kertoo voimalle, kuinka paljon se vaikuttaa sinuun. Sähkömagneettinen voima on sähkövaraus. Painovoimalle se on massa. Vahvaa ydinvoimaa varten fyysikot joutuivat keksimään uuden koukun. Tapa, jolla kvarkki yhdistyy toiseen kvarkkiin tuon voiman kautta. Fyysikot valitsivat sanan väri.

liittyvät: fyysikot ratkaisivat juuri 35 vuotta vanhan mysteerin, joka on kätketty atomiytimien sisään

joten jos sinulla tai tuntemallasi hiukkasella on tämä uusi ominaisuus nimeltä väri, saat tuntea voimakkaan ydinvoiman. Värisi voi olla punainen, vihreä tai sininen (hämmentävästi on myös anti-punainen, anti-vihreä ja anti-sininen, koska elämä ei tietenkään ole niin yksinkertaista). Protonin kaltaisen hiukkasen muodostamiseksi kvarkkien kaikkien värien on yhdistyttävä valkoiseksi. Näin yksi kvarkki määrätään punaiseksi, toinen vihreäksi ja viimeinen siniseksi. Värin antamisella ei oikeastaan ole väliä (ja itse asiassa yksittäiset kvarkit vaihtavat jatkuvasti väriä), tärkeintä on, että ne kaikki sopivat yhteen valkoisen kanssa ja että vahva voima voi tehdä työnsä.

Tämä uusi väriominaisuus mahdollistaa kvarkkien yhteisen tilan protonin sisällä. Värillisenä mitkään kaksi kvarkkia eivät ole täsmälleen samanlaisia — niillä on nyt eri värit.

Supervahvuus

Kuvittele ottavasi kaksi pientä pihtiä ja tarttuvansa kahteen kvarkkiin protonissa. Treenaat, jotta voit voittaa vahvan ydinvoiman, joka pitää heidät koossa.

mutta tässä on jotain outoa vahvassa voimassa: se ei vähene etäisyyden myötä. Muut voimat, kuten painovoima ja sähkömagnetismi, vaikuttavat. Mutta vahva voima pysyy yhtä vahvana kuin se aina on, riippumatta siitä kuinka kaukana kvarkit ovat toisistaan.

joten kun nykäisette näitä kvarkkeja, teidän täytyy lisätä koko ajan enemmän energiaa säilyttääksenne erotuksen. Lopulta lisätään niin paljon energiaa, että energia vastaa massaa ja kaikkea muuta, uusia hiukkasia ilmestyy kvarkkien väliseen tyhjiöön. Uusia hiukkasia, kuten muita kvarkkeja.

nämä uudet kvarkit löytävät lähes välittömästi vastaeronneet ystävänsä ja sitoutuvat yhteen, heittelevät kaiken kovan työsi ja hikoilusi pois yhtenä energiamyrskynä ennen kuin niiden välinen etäisyys on edes havaittavissa. Kun luulette erottaneenne kvarkit, he ovat jo löytäneet uusia, joihin sitoutua. Tätä ilmiötä kutsutaan kvarkin vangitsemiseksi.: Vahva voima on niin pirun vahva, että se estää meitä näkemästä kvarkkia eristyksissä.

on harmi, ettemme koskaan pääse näkemään, mikä sen väri on.

Lue lisää kuuntelemalla jakso ”What makes the strong force so strong?”Ask A Spaceman-podcastissa, joka on saatavilla iTunesissa ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos kayja N. ja Ter B. kysymyksistä, jotka johtivat tähän teokseen! Kysy oma kysymyksesi Twitterissä käyttäen #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.

• fyysikot havaitsivat juuri hyvin oudon hiukkasen, joka ei ole hiukkanen lainkaan
• enemmän kuin yksi todellisuus on olemassa (kvanttifysiikassa)
• miksi fyysikot ovat kiinnostuneita Heftiest-kvarkin salaperäisistä Oikkuista

Seuraa meitä Twitterissä @Spacedotcom ja Facebook.