Hva Gjør Den Sterke Kraften Så Spesiell?

Paul M. Sutter er en astrofysiker Ved Ohio State University, vert For Ask A Spaceman Og Space Radio, og forfatter Av Din Plass I Universet. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com ‘ S Ekspert Stemmer: Op-Ed & Innsikt.

alle fire kjente naturkrefter har sitt eget unike sted. Gravity, elektromagnetisme, svak kjernefysisk, sterk kjernefysisk: hver og en styrer noen lite domene av våre liv. Mens våre daglige erfaringer domineres Av jordens tyngdekraft og elektromagnetismen av lys og kjøleskapsmagneter, spiller de to atomkreftene også nøkkelroller-bare på svært, svært små skalaer.

Hvor liten? Forestill deg selv ballong opp til å bli størrelsen på solsystemet. Hendene svømme Gjennom Oort Skyen selv, planetene nestle over navlen. Du er så stor at elektriske signaler ta uker eller måneder å gjøre sin reise gjennom nervesystemet, noe som gjør selv de enkleste gester achingly treg.

det er forskjellen mellom din nåværende størrelse (omtrent et par meter) og 10^15 meter.

Relatert: Hva Er Den Sterke Kraften?

nå, kjøre den i revers. Tenk deg en skala så liten at din nåværende kropp føles så stor som solsystemet. En skala hvor bevegelsene dine eke sammen på de tregeste skritt. Denne utrolig lille skalaen er femtometeret: 10^-15 meter. Det er omfanget av atomkjernen.

Inn i protonen

fra vei opp her er det fristende å tenke på protonen som en enkelt partikkel. Et hardt skall av positiv ladning og masse, i stand til å sprette og banke rundt like lett som en biljardkule. Men i virkeligheten er et proton laget av tre mindre partikler. Disse partiklene har det herlig quirky navnet på kvarker. Det er totalt seks typer kvarker i naturen, men for vår nære undersøkelse av protonen trenger vi bare å bry seg om to av dem, kalt opp og ned kvarker.som jeg sa, er et proton en triplett av kvarker: to opp kvarker og en ned kvark. Disse kvarkene binder sammen som et lag, og det bundet laget er det vi kaller en proton.

Bortsett Fra, det burde Ikke gi mening.

de to opp kvarkene har nøyaktig samme elektriske ladning (fordi de er nøyaktig samme type partikkel), så de burde absolutt hate hverandre. Hvordan holder de seg så tett limt?Og dessuten vet vi fra kvantemekanikk at to kvarker ikke kan dele nøyaktig samme tilstand-du kan ikke ha to av samme type bundet sammen slik. De to opp kvarker bør ikke få lov til å eksistere sammen sånn. Og likevel tolererer de ikke bare hverandre, men ser ut til å virkelig nyte selskapet!

Hva skjer?

en annen farge

på 1950-og 60-tallet begynte fysikere å innse at protonen ikke er grunnleggende — den kan brytes ned i mindre deler. Så de gjorde en rekke eksperimenter og utviklet en rekke teorier for å knekke den aktuelle mutteren. Og de løp straks inn i a) eksistensen av kvarker og b) de forvirrende gåtene ovenfor.

Noe holdt de tre kvarkene sammen. Noe virkelig, veldig sterkt. En ny naturkraft.

den sterke kraften.

den da hypotetiske sterke kraften løste problemene med sameksisterende kvarker ved enkel brute force. Åh, du liker ikke å være sammen fordi du ikke kan dele samme tilstand? Vel, synd, den sterke kraften kommer til å få deg til å gjøre det uansett, og det kommer til å gi en vei rundt det problemet.

og hver kraft har et koblingspunkt. Krok. En måte å fortelle at kraft hvor mye du er berørt av det. For den elektromagnetiske kraften er det elektrisk ladning. For tyngdekraften er det massen. For den sterke atomkraften måtte fysikere komme opp med en ny krok. En måte for en kvark å koble til en annen kvark via den kraften. Og fysikere valgte ordet farge.Relatert: Fysikere Har Nettopp Løst et 35 År Gammelt Mysterium Gjemt Inne I Atomkjerner, Så Hvis du eller en partikkel du vet har denne nye egenskapen kalt farge, så får du føle den sterke atomkraften. Din farge kan være en av rød, grønn eller blå(forvirrende er det også anti-rød, anti-grønn og anti-blå, for selvfølgelig er livet ikke så enkelt). For å bygge en partikkel som en proton, må alle kvarkens farger legge opp til hvitt. Dermed blir en kvark tildelt å være rød, den andre tildelt å være grønn, og den siste tildelt å være blå. Den spesielle tildelingen av farge spiller ingen rolle (og faktisk endrer de enkelte kvarkene stadig farge), det som betyr noe er at de alle legger opp til hvitt og at den sterke kraften kan gjøre sitt arbeid.

denne nye egenskapen av farge er det som gjør at kvarkene kan dele en tilstand inne i et proton. Med farge er ikke to kvarker akkurat det samme — de har nå forskjellige farger.

Super styrke

Tenk deg å ta to små tanger og gripe to av kvarkene i protonen. Du trener, så du er i stand til å overvinne styrken til den sterke atomkraften som holder dem sammen.

Men her er noe rart om den sterke kraften: det reduseres ikke med avstand. Andre krefter, som tyngdekraften og elektromagnetisme, gjør det. Men den sterke kraften forblir like sterk som den alltid er, uansett hvor langt fra hverandre de kvarkene er.

så når du drar på disse kvarkene, må du fortsette å legge til mer og mer energi for å opprettholde separasjonen. Du legger til slutt så mye energi at energi er ekvivalent med masse og alt det, nye partikler vises i vakuumet mellom kvarkene. Nye partikler som andre kvarker.

disse nye kvarkene finner nesten umiddelbart sine nylig adskilte venner og binder sammen, kaster alt ditt harde arbeid og svetter bort i en enkelt flash av energi før avstanden mellom dem er enda merkbar. Når du tror du har skilt kvarkene, har de allerede funnet nye å binde seg til. Denne effekten er kjent som quark confinement: Den sterke kraften er faktisk så sterk at den hindrer oss i å se en kvark i isolasjon.

det er synd at vi aldri får se hva fargen er.

Lær mer ved å lytte til episoden » Hva gjør den sterke kraften så sterk?»På Ask A Spaceman podcast, tilgjengelig på iTunes og På Nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk Til Kayja N. og Ter B. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål På Twitter ved hjelp av # AskASpaceman eller Ved Å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.

• Fysikere Oppdaget Nettopp en Veldig Merkelig Partikkel Som Ikke Er En Partikkel i det hele tatt
• Mer Enn En Virkelighet Eksisterer (I Kvantfysikk)
• Hvorfor Fysikere Er Interessert I De Mystiske Quirks av Den Heftiest Kvark

Følg Oss På Twitter @Spacedotcom og På Facebook.