КАКВО ПРАВИ СИЛНАТА СИЛА ТОЛКОВА СПЕЦИАЛНА?

Send

Протон (преден план) е съставен от три кварка, всеки с уникално свойство, наречено цвят. Те се държат здраво от силната ядрена сила.

(Изображение: © Национална лаборатория на Лорънс Беркли)

Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената, Sutter допринесе за тази статия Гласовете на експертите на Space.com: Op-Ed & Insights.

И четирите известни сили на природата имат свое уникално място. Гравитация, електромагнетизъм, слаба ядрена, силна ядрена енергия: Всеки управлява някакъв малък домейн от нашия живот. Докато ежедневните ни преживявания са доминирани от гравитацията на Земята и електромагнетизма на светлините и магнитите за хладилник, двойните ядрени сили също играят ключова роля - само при много, много мънички мащаби.

Колко мъничко? Представете си, че балонирате, за да станете размерите на Слънчевата система. Ръцете ви плуват през Oort Cloud самите планети се сгушват над корема ви. Вие сте толкова големи, че на електрическите сигнали са нужни седмици или дори месеци, за да направят своето пътуване през нервната ви система, правейки дори най-простите жестове болезнено бавни.

Това е разликата между сегашния ви размер (приблизително няколко метра) и 10 ^ 15 метра.

Сега, пуснете го в обратен ред. Представете си мащаб, толкова малък, че сегашното ви тяло да се чувства толкова обширно, колкото Слънчевата система. Скала, при която движенията ви се движат по най-бавните крачки. Този невероятно малък мащаб е фемтометърът: 10 ^ -15 метра. Това е мащабът на атомното ядро.

В протона

От тук нагоре е изкушаващо да се мисли за протона като за една-единствена частица. Твърда обвивка с положителен заряд и маса, способна да отскача и да чука толкова лесно, колкото билярдна топка. Но в действителност протонът е изграден от три по-малки частици. Тези частици имат възхитително странното име на кварки. В природата има общо шест вида кварки, но за нашето внимателно разглеждане на протона трябва да се грижим само за два от тях, наречени нагоре и надолу кварки.

Както казах, протонът е тройка кварки: два нагоре кварки и един надолу кварк. Тези кварки се свързват като екип и този свързан отбор е това, което наричаме протон.

С изключение на това, това не трябва да има никакъв смисъл.

Двата кварка имат точно същия електрически заряд (защото са същият тип частици), така че трябва абсолютно да се мразят. Как остават толкова плътно залепени?

И още повече, от квантовата механика знаем, че два кварка не могат да споделят точно същото състояние - не можете да имате две от един и същи вид, свързани така. Тези два кварка не бива да могат да съществуват заедно така. И въпреки това те не само търпят взаимно, но изглежда наистина се радват на компанията!

Какво става?

Различен цвят

През 50-те и 60-те физиците започват да осъзнават, че протона не е основен - той може да бъде разграден на по-малки части. Затова направиха куп експерименти и разработиха куп теории, за да напукат точно тази гайка. И веднага се натъкнаха на: а) съществуването на кварки и б) озадачаващите главоблъсканици по-горе.

Нещо държеше тези три кварка заедно. Нещо наистина, наистина силно. Нова сила на природата.

Силната сила.

Тогава хипотезираната силна сила решава проблемите на съвместното съществуване на кварки с обикновена груба сила. О, не обичате да сте заедно, защото не можете да споделяте същото състояние? Е, твърде лошо, силната сила ще ви накара да се справите така или иначе и ще осигури начин за справяне с този проблем.

И всяка сила има точка на свързване. Кука. Начин да кажеш на тази сила колко си засегнат от нея. За електромагнитната сила това е електрическият заряд. За гравитацията това е масата. За силната ядрена сила физиците трябваше да измислят нова кука. Начин на кварк да се свърже с друг кварк чрез тази сила. И физиците избраха думата цвят.

По този начин, ако вие или частица, която познавате, притежава това ново свойство, наречено цвят, тогава ще почувствате силната ядрена сила. Цветът ви може да бъде червен, зелен или син (объркващо има и анти-червен, анти-зелен и анти-син, защото, разбира се, животът не е толкова лесен). За да се изгради частица като протона, всички цветове на кварките трябва да добавят бяло. По този начин един кварк получава червен цвят, а другият - зелен, а последният - син. Конкретното присвояване на цвят всъщност няма значение (и всъщност отделните кварки постоянно променят цвета си). Важното е, че всички те добавят към бяло и че силната сила може да свърши своята работа.

Това ново свойство на цвят е това, което позволява на кварките да споделят състояние вътре в протона. С цвят никой два кварка не са абсолютно еднакви - сега имат различни цветове.

Супер здравина

Представете си, че вземете два малки клещи и вземете два от кварците в протона. Работите, така че сте в състояние да преодолеете силата на силната ядрена сила, която ги държи заедно.

Но ето нещо странно в силната сила: не намалява с разстояние. Други сили, като гравитация и електромагнетизъм, правят. Но силната сила остава също толкова силна, колкото е винаги, независимо колко далеч са тези кварки.

И така, докато дърпате тези кваркове, трябва да продължите да добавяте все повече и повече енергия, за да поддържате раздялата. В крайна сметка добавяте толкова много енергия, че енергията е еквивалентна на масата и всичко останало, във вакуума между кварките се появяват нови частици. Нови частици като ... други кварки.

Тези нови кваркове почти веднага намират своите новоразделени приятели и се връзват заедно, като хвърлят цялата си упорита работа и се потят в една миг енергия, преди разстоянието между тях да се забележи дори. По времето, когато мислите, че сте отделили кварките, те вече са намерили нови, с които да се свързват. Този ефект е известен като ограничаване на кварк: Силната сила всъщност е толкова силно опасна, че не ни позволява да виждаме кварк изолирано.

Жалко е, че никога няма да видим какъв е цветът му.

Научете повече, като слушате епизода "Какво прави силната сила толкова силна?" в подкаста Ask A Spaceman, достъпен в iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com. Благодаря на Кая Н. и Тер Б. за въпросите, довели до това парче! Задайте собствения си въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.