Vad gör den starka kraften så speciell?

Paul M. Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University, värd för Ask a Spaceman och Rymdradio, och författare till din plats i universum. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com ’s Expert Röster: Op-Ed & insikter.

alla fyra kända naturkrafter har sin egen unika plats. Gravitation, elektromagnetism, svag kärnkraft, stark kärnkraft: var och en styr en liten domän i våra liv. Medan våra vardagliga upplevelser domineras av jordens allvar och elektromagnetismen av ljus och kylmagneter, spelar de dubbla kärnkrafterna också nyckelroller — bara i mycket, mycket små vågar.

hur liten? Föreställ dig själv ballooning upp för att bli storleken på solsystemet. Dina händer simmar genom Oort-molnet själv, planeterna ligger ovanför din navel. Du är så stor att elektriska signaler tar veckor eller till och med månader att göra sin resa genom ditt nervsystem, vilket gör även de enklaste gesterna smärtsamt långsamma.

det är skillnaden mellan din nuvarande storlek (ungefär ett par meter) och 10^15 meter.

relaterad: Vad är den starka kraften?

Nu kör det i omvänd ordning. Föreställ dig en skala så liten att din nuvarande kropp känns lika stor som solsystemet. En skala där dina rörelser eke tillsammans på den långsammaste av steg. Denna otroligt lilla skala är femtometern: 10^-15 meter. Det är atomkärnans skala.

in i protonen

från vägen upp här är det frestande att tänka på protonen som en enda partikel. Ett hårt skal av positiv laddning och massa, som kan studsa och slå runt lika lätt som en biljardboll. Men i verkligheten är en proton gjord av tre mindre partiklar. Dessa partiklar har härligt udda namn kvarkar. Det finns totalt sex typer av kvarkar i naturen, men för vår nära undersökning av protonen behöver vi bara bry oss om två av dem, namngivna upp och ner kvarkar.

som jag sa är en proton en triplett av kvarkar: två upp kvarkar och en ned kvark. Dessa kvarkar binder samman som ett lag, och det bundna laget är vad vi kallar en proton.

förutom, det borde inte vara meningsfullt.

de två kvarkarna har exakt samma elektriska laddning (eftersom de är exakt samma typ av partikel), så de borde absolut hata varandra. Hur håller de sig så tätt limmade?

och dessutom vet vi från kvantmekanik att två kvarkar inte kan dela exakt samma tillstånd — du kan inte ha två av samma slag bundna ihop så. Dessa två kvarkar borde inte tillåtas samexistera tillsammans så. Och ändå tolererar de inte bara varandra, men verkar verkligen njuta av företaget!

vad händer?

en annan färg

på 1950 — och 60-talet började fysiker inse att protonen inte är grundläggande-den kan delas upp i mindre delar. Så de gjorde en massa experiment och utvecklade en massa teorier för att knäcka den speciella muttern. Och de sprang omedelbart in i A) förekomsten av kvarkar och b) de förbryllande conundrums ovan.

något höll de tre kvarkarna ihop. Något riktigt, riktigt starkt. En ny naturkraft.

den starka kraften.

den då hypotetiska starka kraften löste problemen med samexisterande kvarkar med enkel brute force. Åh, du gillar inte att vara tillsammans för att du inte kan dela samma tillstånd? Tja, synd, den starka kraften kommer att få dig att göra det ändå, och det kommer att ge en väg runt det problemet.

och varje kraft har en anslutningspunkt. Krok. Ett sätt att berätta den kraften hur mycket du påverkas av den. För den elektromagnetiska kraften är det den elektriska laddningen. För gravitation är det massan. För den starka kärnkraften måste fysiker komma med en ny krok. Ett sätt för en kvark att ansluta till en annan kvark via den kraften. Och fysiker valde ordet färg.

relaterad: fysiker löste bara ett 35-årigt mysterium gömt inuti atomkärnor

således om du eller en partikel du vet har den här nya egenskapen kallad färg, får du känna den starka kärnkraften. Din färg kan vara en av röd, grön eller blå (förvirrande finns det också anti-röd, Anti-grön och anti-blå, för naturligtvis är livet inte så enkelt). För att bygga en partikel som en proton måste alla Kvarkens färger lägga till vitt. Således blir en kvark tilldelad att vara röd, den andra tilldelad att vara grön och den sista tilldelad att vara blå. Den speciella tilldelningen av färg spelar ingen roll (och i själva verket ändrar de enskilda kvarkarna ständigt färg), det som är viktigt är att de alla lägger till vitt och att den starka kraften kan göra sitt arbete.

den här nya egenskapen för färg är det som gör att kvarkarna kan dela ett tillstånd i en proton. Med färg är inga två kvarkar exakt desamma-de har nu olika färger.

Super strength

Tänk dig att ta två små tänger och ta tag i två av kvarkarna i protonen. Du tränar, så du kan övervinna styrkan i den starka kärnkraften som håller dem ihop.

men här är något konstigt om den starka kraften: det minskar inte med avstånd. Andra krafter, som gravitation och elektromagnetism, gör. Men den starka kraften förblir lika stark som den alltid är, oavsett hur långt ifrån varandra dessa kvarkar är.

så när du drar på dessa kvarkar måste du fortsätta lägga till mer och mer energi för att upprätthålla separationen. Du lägger så småningom till så mycket energi att energi motsvarar massa och allt det, nya partiklar dyker upp i vakuumet mellan kvarkarna. Nya partiklar som … andra kvarkar.

dessa nya kvarkar hittar nästan omedelbart sina nyligen separerade vänner och binder ihop, kastar allt ditt hårda arbete och svettar bort i en enda blixt av energi innan avståndet mellan dem är märkbart. När du tror att du har separerat kvarkarna har de redan hittat nya att binda till. Denna effekt är känd som kvarkfängelse: Den starka kraften är faktiskt så dang stark att det hindrar oss från att någonsin se en kvark isolerat.

det är synd att vi aldrig får se vad dess färg är.

Läs mer genom att lyssna på avsnittet ” Vad gör den starka kraften så stark?”på Ask A Spaceman podcast, tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Kayja N. Och Ter B. För de frågor som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @ PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.

• fysiker upptäckte bara en mycket udda partikel som inte alls är en partikel
• mer än en verklighet finns (i kvantfysik)
• Varför fysiker är intresserade av de mystiska Quarkens Heftiest Quark

Följ oss på Twitter @Spacedotcom och på Facebook.