Ce face forța puternică atât de specială?

Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Ask a Spaceman and Space Radio și autor al cărții locul tău în univers. Sutter a contribuit cu acest articol la Space.com vocile experților: Op-Ed & Insights.

toate cele patru forțe cunoscute ale naturii au propriul lor loc unic. Gravitația, electromagnetismul, nucleara slabă, nucleara puternică: fiecare guvernează un mic domeniu al vieții noastre. În timp ce experiențele noastre de zi cu zi sunt dominate de gravitația Pământului și de electromagnetismul magneților de lumină și frigider, forțele nucleare gemene joacă și ele roluri cheie — Doar la scări foarte, foarte mici.

cât de mic? Imaginați-vă că vă ridicați pentru a deveni dimensiunea sistemului solar. Mâinile tale înoată prin norul Oort în sine, planetele se cuibăresc deasupra buricului tău. Ești atât de mare încât semnalele electrice durează săptămâni sau chiar luni pentru a-și face călătoria prin sistemul tău nervos, făcând chiar și cele mai simple gesturi dureros de lente.

aceasta este diferența dintre dimensiunea curentă (aproximativ câțiva metri) și 10^15 metri.

Related: ce este forța puternică?

acum, rulați-l în sens invers. Imaginați-vă o scară atât de mică încât corpul vostru actual se simte la fel de vast ca sistemul solar. O scară în cazul în care mișcările eke de-a lungul la cel mai lent de pași. Această scară incredibil de mică este femtometrul: 10^-15 metri. Este scara nucleului atomic.

în proton

de aici, este tentant să ne gândim la proton ca la o singură particulă. O coajă tare de sarcină pozitivă și de masă, capabil de a sări și bate în jurul fel de ușor ca o minge de biliard. Dar, în realitate, un proton este format din trei particule mai mici. Aceste particule au numele încântător de ciudat de quarci. Există un total de șase tipuri de quarci în natură, dar pentru examinarea noastră atentă a protonului trebuie să ne pese doar de doi dintre ei, numiți quarcii sus și jos.

cum am spus, un proton este un triplet de quarci: doi quarci în sus și unul în jos. Acești quarci se leagă împreună ca o echipă, iar acea echipă legată este ceea ce numim un proton.

cu excepția, că nu ar trebui să aibă nici un sens.

cei doi quarci up au exact aceeași sarcină electrică (pentru că sunt exact același tip de particule), deci ar trebui să se urască absolut reciproc. Cum stau atât de strâns lipite?și mai mult, știm din mecanica cuantică că doi quarci nu pot împărtăși exact aceeași stare — nu poți avea doi de același fel legați împreună așa. Cei doi quarci up nu ar trebui să li se permită să coexiste împreună așa. Și totuși nu numai că se tolerează reciproc, dar par să se bucure cu adevărat de companie!

ce se întâmplă?

o culoare diferită

în anii 1950 și ’60, fizicienii au început să realizeze că protonul nu este fundamental — poate fi împărțit în părți mai mici. Așa că au făcut o grămadă de experimente și au dezvoltat o grămadă de teorii pentru a sparge acea piuliță. Și au intrat imediat în a) existența quarcilor și b) enigmele enigmatice de mai sus.

ceva ținea cei trei quarci împreună. Ceva foarte, foarte puternic. O nouă forță a naturii.

forța puternică.

forța puternică ipotezată atunci a rezolvat problemele coexistenței cuarcilor prin forță brută simplă. Nu-ți place să fim împreună pentru că nu poți împărtăși aceeași stare? Ei bine, păcat, forța puternică te va face să o faci oricum și va oferi o cale de a rezolva această problemă.

și fiecare forță are un punct de conectare. Un cârlig. Un mod de a spune acelei forțe cât de mult ești afectat de ea. Pentru forța electromagnetică este sarcina electrică. Pentru gravitație este masa. Pentru forța nucleară puternică, fizicienii au trebuit să vină cu un nou cârlig. O modalitate pentru un quark de a se conecta la un alt quark prin acea forță. Și fizicienii au ales cuvântul culoare.fizicienii tocmai au rezolvat un mister vechi de 35 de ani ascuns în interiorul nucleelor atomice astfel, dacă tu sau o particulă pe care o cunoști are această nouă proprietate numită culoare, atunci vei simți forța nucleară puternică. Culoarea dvs. poate fi una de roșu, verde sau albastru (în mod confuz există și anti-roșu, anti-verde și anti-albastru, deoarece, desigur, viața nu este atât de simplă). Pentru a construi o particulă ca un proton, toate culorile quarcilor trebuie să se adauge la alb. Astfel, un quark este atribuit să fie roșu, celălalt atribuit să fie verde, iar ultimul atribuit să fie albastru. Atribuirea particulară a culorii nu contează de fapt (și, de fapt, cuarcii individuali își schimbă constant culoarea), ceea ce contează este că toți se adaugă la alb și că forța puternică își poate face treaba.

această nouă proprietate a culorii este ceea ce permite quarcilor să împartă o stare în interiorul unui proton. Cu culoarea, nu există doi quarci Exact la fel — acum au culori diferite.

super-putere

Imaginați-vă luând două clești mici și apucând doi dintre quarcii din proton. Vă antrenați, astfel încât să puteți depăși puterea forței nucleare puternice care le ține împreună.

dar aici este ceva ciudat despre forța puternică: nu se diminuează cu distanța. Alte forțe, cum ar fi gravitația și electromagnetismul, o fac. Dar forța puternică rămâne la fel de puternică ca întotdeauna, indiferent cât de departe sunt acești quarci.

deci, pe măsură ce trageți de acei quarci, trebuie să continuați să adăugați din ce în ce mai multă energie pentru a menține separarea. În cele din urmă adăugați atât de multă energie încât, energia fiind echivalentă cu masa și toate acestea, noi particule apar în vidul dintre quarci. Particule noi ca … alți quarci.

acești noi quarci își găsesc aproape imediat prietenii nou separați și se leagă împreună, aruncându-vă toată munca grea și transpirând într-un singur fulger de energie înainte ca distanța dintre ei să fie chiar vizibilă. Până când crezi că ai separat quark-urile, au găsit deja altele noi de care să se lege. Acest efect este cunoscut sub numele de quark confinement: Forța puternică este de fapt atât de puternică încât ne împiedică să vedem vreodată un quark izolat.

este păcat că nu vom ajunge niciodată să vedem ce culoare are.

Aflați mai multe ascultând episodul „ce face forța puternică atât de puternică?”pe podcast-ul Ask a Spaceman, disponibil pe iTunes și pe Web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumim Kayja N. și Ter B. Pentru întrebările care au dus la această piesă! Adresați-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @ PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter.

• fizicienii tocmai au detectat o particulă foarte ciudată care nu este deloc o particulă
• există mai multe realități (în fizica cuantică)
• De ce fizicienii sunt interesați de ciudățeniile misterioase ale celui mai Hefti Quark

Urmăriți-ne pe Twitter @Spacedotcom și pe Facebook.