Was macht die starke Kraft so besonders?

Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University, Moderator von Ask a Spaceman und Space Radio und Autor von Your Place in the Universe. Sutter hat diesen Artikel beigesteuert zu Space.com Expertenstimmen: Op-Ed & Einblicke.

Alle vier bekannten Naturgewalten haben ihren eigenen einzigartigen Platz. Schwerkraft, Elektromagnetismus, schwacher Kern, starker Kern: Jeder beherrscht einen kleinen Bereich unseres Lebens. Während unsere alltäglichen Erfahrungen von der Schwerkraft der Erde und dem Elektromagnetismus von Licht und Kühlschrankmagneten dominiert werden, spielen auch die Zwillingskernkräfte eine Schlüsselrolle — nur in sehr, sehr kleinen Maßstäben.

Wie klein? Stellen Sie sich vor, Sie steigen in den Ballon, um die Größe des Sonnensystems zu erreichen. Ihre Hände schwimmen durch die Oortsche Wolke selbst, die Planeten schmiegen sich über Ihren Bauchnabel. Sie sind so groß, dass elektrische Signale Wochen oder sogar Monate brauchen, um ihre Reise durch Ihr Nervensystem zu machen, was selbst die einfachsten Gesten schmerzhaft langsam macht.

Das ist der Unterschied zwischen Ihrer aktuellen Größe (ungefähr ein paar Meter) und 10 ^ 15 Metern.

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Führen Sie es nun in umgekehrter Reihenfolge aus. Stellen Sie sich eine Skala vor, die so klein ist, dass sich Ihr gegenwärtiger Körper so groß anfühlt wie das Sonnensystem. Eine Skala, in der Ihre Bewegungen im langsamsten Tempo voranschreiten. Diese unglaublich kleine Skala ist das Femtometer: 10 ^ -15 Meter. Es ist die Skala des Atomkerns.

In das Proton

Von hier oben ist es verlockend, das Proton als ein einzelnes Teilchen zu betrachten. Eine harte Schale aus positiver Ladung und Masse, die so leicht wie eine Billardkugel hüpfen und herumschlagen kann. Aber in Wirklichkeit besteht ein Proton aus drei kleineren Teilchen. Diese Teilchen haben den herrlich skurrilen Namen Quarks. Es gibt insgesamt sechs Arten von Quarks in der Natur, aber für unsere genaue Untersuchung des Protons müssen wir uns nur um zwei von ihnen kümmern, die sogenannten Up- und Down-Quarks.

Wie gesagt, ein Proton ist ein Triplett von Quarks: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark. Diese Quarks binden sich als Team zusammen, und dieses gebundene Team nennen wir ein Proton.

Außer, das sollte keinen Sinn ergeben.Die beiden Up-Quarks haben genau die gleiche elektrische Ladung (weil sie genau die gleiche Art von Teilchen sind), also sollten sie sich absolut hassen. Wie bleiben sie so fest verklebt?Und darüber hinaus wissen wir aus der Quantenmechanik, dass zwei Quarks nicht genau denselben Zustand haben können — man kann nicht zwei der gleichen Art so miteinander verbinden. Diese beiden Up-Quarks sollten nicht so koexistieren dürfen. Und doch tolerieren sie sich nicht nur, sondern scheinen die Gesellschaft wirklich zu genießen!

Was ist los?

Eine andere Farbe

In den 1950er und 60er Jahren begannen Physiker zu erkennen, dass das Proton nicht fundamental ist — es kann in kleinere Teile zerlegt werden. Also machten sie eine Reihe von Experimenten und entwickelten eine Reihe von Theorien, um diese bestimmte Nuss zu knacken. Und sie stießen sofort auf a) die Existenz von Quarks und b) die rätselhaften Rätsel oben.

Etwas hielt diese drei Quarks zusammen. Etwas wirklich, wirklich Starkes. Eine neue Kraft der Natur.

Die starke Kraft.

Die damals hypothetische starke Kraft löste die Probleme koexistierender Quarks durch einfache rohe Gewalt. Oh, du magst es nicht, zusammen zu sein, weil du nicht den gleichen Zustand teilen kannst? Nun, schade, die starke Kraft wird dich dazu bringen, es trotzdem zu tun, und es wird einen Weg geben, dieses Problem zu umgehen.

Und jede Kraft hat einen Verbindungspunkt. Haken. Eine Möglichkeit, dieser Kraft zu sagen, wie sehr Sie davon betroffen sind. Für die elektromagnetische Kraft ist es die elektrische Ladung. Für die Schwerkraft ist es die Masse. Für die starke Kernkraft mussten sich die Physiker einen neuen Haken einfallen lassen. Ein Weg für ein Quark, sich über diese Kraft mit einem anderen Quark zu verbinden. Und Physiker wählten das Wort Farbe.Physiker haben gerade ein 35 Jahre altes Rätsel gelöst, das in Atomkernen verborgen ist, wenn Sie oder ein Teilchen, das Sie kennen, diese neue Eigenschaft namens Farbe haben, dann spüren Sie die starke Kernkraft. Ihre Farbe kann Rot, Grün oder Blau sein (verwirrenderweise gibt es auch Anti-Rot, Anti-Grün und Anti-Blau, weil das Leben natürlich nicht so einfach ist). Um ein Teilchen wie ein Proton zu bauen, müssen sich alle Farben der Quarks zu Weiß addieren. So wird einem Quark rot zugewiesen, dem anderen grün und dem letzten blau. Die besondere Zuordnung der Farbe spielt eigentlich keine Rolle (und tatsächlich ändern die einzelnen Quarks ständig ihre Farbe), was zählt, ist, dass sie sich alle zu Weiß addieren und dass die starke Kraft ihre Arbeit verrichten kann.Diese neue Eigenschaft der Farbe ermöglicht es den Quarks, einen Zustand innerhalb eines Protons zu teilen. Mit Farbe sind keine zwei Quarks genau gleich — sie haben jetzt verschiedene Farben.

Superstärke

Stellen Sie sich vor, Sie nehmen zwei kleine Zangen und greifen nach zwei der Quarks im Proton. Sie trainieren, so dass Sie in der Lage sind, die Stärke der starken Kernkraft zu überwinden, die sie zusammenhält.

Aber hier ist etwas Seltsames an der starken Kraft: Sie nimmt nicht mit der Entfernung ab. Andere Kräfte, wie Schwerkraft und Elektromagnetismus, tun es. Aber die starke Kraft bleibt genauso stark wie immer, egal wie weit diese Quarks voneinander entfernt sind.Wenn Sie also an diesen Quarks ziehen, müssen Sie immer mehr Energie hinzufügen, um die Trennung aufrechtzuerhalten. Sie fügen schließlich so viel Energie hinzu, dass Energie, die der Masse und all dem entspricht, neue Teilchen im Vakuum zwischen den Quarks erscheinen. Neue Teilchen wie … andere Quarks.Diese neuen Quarks finden fast sofort ihre neu getrennten Freunde und binden sich zusammen, wobei Sie all Ihre harte Arbeit und Ihren Schweiß in einem einzigen Energieblitz wegwerfen, bevor die Entfernung zwischen ihnen überhaupt spürbar ist. Wenn du denkst, dass du die Quarks getrennt hast, haben sie bereits neue gefunden, an die sie sich binden können. Dieser Effekt wird als Quarkbegrenzung bezeichnet: Die starke Kraft ist tatsächlich so verdammt stark, dass sie uns daran hindert, jemals ein Quark isoliert zu sehen.

Es ist eine Schande, dass wir nie sehen werden, was seine Farbe ist.

Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode „Was macht die starke Kraft so stark?“ auf dem Ask A Spaceman Podcast, erhältlich bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Danke an Kayja N. und Ter B. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter.

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