Co sprawia, że silna siła jest tak wyjątkowa?

Paul M. Sutter jest astrofizykiem na Ohio State University, gospodarzem Ask a Spaceman i radia kosmicznego, a także autorem swojego miejsca we wszechświecie. Sutter dodał ten artykuł do Space.com opinie ekspertów: &

wszystkie cztery znane siły natury mają swoje wyjątkowe miejsce. Grawitacja, elektromagnetyzm, słaba energia jądrowa, silna energia jądrowa: każda z nich rządzi jakąś małą dziedziną naszego życia. Podczas gdy nasze codzienne doświadczenia są zdominowane przez grawitację Ziemi i elektromagnetyzm światła i magnesów na Lodówkę, bliźniacze siły jądrowe odgrywają kluczową rolę – tylko w bardzo, bardzo małych skalach.

jak malutkie? Wyobraź sobie, że latasz balonem, by stać się wielkością układu słonecznego. Twoje ręce płyną przez samą chmurę Oorta, planety leżą nad Twoim pępkiem. Jesteś tak duży, że sygnały elektryczne potrzebują tygodni, a nawet miesięcy, aby przejść przez twój układ nerwowy, czyniąc nawet najprostsze gesty boląco powolnymi.

to różnica między Twoim obecnym rozmiarem (z grubsza kilka metrów) a 10^15 metrów.

Related: Co To jest silna siła?

Teraz uruchom go w odwrotnej kolejności. Wyobraź sobie skalę tak małą, że Twoje obecne ciało czuje się tak rozległe jak układ słoneczny. Skala, w której Twoje ruchy poruszają się w najwolniejszym tempie. Ta niewiarygodnie mała skala to femtometr: 10^-15 metrów. To skala jądra atomowego.

do protonu

z tego miejsca kuszące jest myślenie o protonie jako o pojedynczej cząstce. Twarda skorupa o ładunku dodatnim i masie, zdolna do odbijania się i pukania równie łatwo jak piłka bilardowa. Ale w rzeczywistości proton składa się z trzech mniejszych cząstek. Cząstki te mają uroczo dziwaczną nazwę kwarków. W przyrodzie istnieje łącznie sześć rodzajów kwarków, ale do dokładnego zbadania protonu musimy zająć się tylko dwoma z nich, zwanymi kwarkami górnymi i dolnymi.

jak już mówiłem, proton to triplet kwarków: dwa kwarki górne i jeden dolny. Kwarki te łączą się ze sobą jako zespół, a ten związany zespół jest tym, co nazywamy protonem.

tyle, że to nie powinno mieć sensu.

dwa kwarki górne mają dokładnie ten sam ładunek elektryczny (ponieważ są dokładnie tym samym rodzajem cząstki), więc absolutnie powinny się nienawidzić. Jak mogą pozostać tak mocno przyklejone?

i co więcej, wiemy z mechaniki kwantowej, że dwa kwarki nie mogą dzielić dokładnie tego samego stanu — nie można mieć dwóch tego samego rodzaju połączonych ze sobą w ten sposób. Te dwa kwarki górne nie powinny mieć prawa współistnieć ze sobą w ten sposób. A jednak nie tylko tolerują się nawzajem, ale wydają się naprawdę cieszyć towarzystwem!

Co się dzieje?

inny kolor

w latach 50.i 60. fizycy zaczęli zdawać sobie sprawę, że proton nie jest fundamentalny — można go podzielić na mniejsze części. Przeprowadzili więc wiele eksperymentów i opracowali kilka teorii, aby złamać ten konkretny orzech. I natychmiast wpadli na a) istnienie kwarków i b) zagadkowe zagadki powyżej.

coś trzymało te trzy kwarki razem. Coś naprawdę mocnego. Nowa siła natury.

mocna siła.

hipotezowana wówczas siła silna rozwiązała problemy współistnienia kwarków prostą siłą brutalną. Nie lubisz być razem, bo nie możesz dzielić tego samego stanu? Cóż, szkoda, silna siła i tak zmusi cię do zrobienia tego, i da sposób na obejście tego problemu.

i każda siła ma punkt połączenia. Hak. Sposób, aby powiedzieć tej sile, jak bardzo jesteś przez nią dotknięty. Dla siły elektromagnetycznej jest to ładunek elektryczny. Dla grawitacji jest to masa. Dla silnej siły jądrowej fizycy musieli wymyślić nowy hak. Sposób, aby kwark połączył się z innym kwarkiem za pomocą tej siły. Fizycy wybrali kolor słowa.

Related: fizycy właśnie rozwiązali 35-letnią tajemnicę ukrytą w rdzeniach atomowych

więc jeśli ty lub cząstka, którą znasz, ma tę nową właściwość zwaną kolorem,wtedy poczujesz silną siłę jądrową. Twój kolor może być czerwony, zielony lub niebieski (myląco jest też anty-czerwony, anty-zielony i anty-niebieski, ponieważ oczywiście życie nie jest takie proste). Aby zbudować cząstkę podobną do protonu, wszystkie kolory kwarków muszą sumować się do bieli. W ten sposób jeden kwark zostaje przypisany do koloru czerwonego, drugi do koloru zielonego, a ostatni do koloru niebieskiego. Szczególne przypisanie koloru nie ma w rzeczywistości znaczenia (a w rzeczywistości poszczególne kwarki stale zmieniają kolor), ważne jest to, że wszystkie sumują się do bieli i że silna siła może wykonać swoją pracę.

Ta nowa właściwość koloru pozwala kwarkom współdzielić stan wewnątrz protonu. W przypadku koloru żadne dwa kwarki nie są dokładnie takie same – mają teraz różne kolory.

Super siła

wyobraź sobie, że bierzesz dwa małe szczypce i chwytasz dwa kwarki w protonie. Ćwiczysz, więc jesteś w stanie pokonać siłę silnej siły jądrowej trzymającej je razem.

ale tu jest coś dziwnego w silnej sile: nie maleje ona z dystansem. Inne siły, jak grawitacja i elektromagnetyzm, robią. Ale silna siła pozostaje tak silna, jak zawsze, bez względu na to, jak daleko od siebie są te kwarki.

tak więc, gdy ciągniesz te kwarki, musisz dodawać coraz więcej energii, aby utrzymać separację. W końcu dodajesz tyle energii, że energia jest równoważna masie i tym wszystkim, nowe cząstki pojawiają się w próżni między kwarkami. Nowe cząstki jak … inne kwarki.

te nowe kwarki niemal natychmiast odnajdują swoich nowo rozdzielonych przyjaciół i wiążą się ze sobą, wyrzucając całą twoją ciężką pracę i pot w jednym błysku energii, zanim odległość między nimi będzie nawet zauważalna. Zanim myślisz, że oddzieliłeś kwarki, oni już znaleźli nowe, z którymi mogliby się związać. Efekt ten znany jest jako kwark: Silna siła jest tak cholernie silna, że uniemożliwia nam kiedykolwiek zobaczenie kwarku w izolacji.

szkoda, że nigdy nie zobaczymy, jaki jest jego kolor.

Dowiedz się więcej słuchając odcinka ” What makes the strong force so strong?”na Podcast Ask a Spaceman, dostępny w iTunes i w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla KAYI N. i Ter B. za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paul @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.

• fizycy właśnie wykryli bardzo dziwną cząstkę, która nie jest cząstką w ogóle
• istnieje więcej niż jedna rzeczywistość (w fizyce kwantowej)
• dlaczego fizycy interesują się tajemniczymi dziwactwami najtwardszego kwarku

Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i na Facebooku.