Замайващ масив от частици, сили и полета диктуват субатомната основа за всичко, което виждаме.
Пол Сътър е астрофизик в Държавния университет в Охайо и главен учен в научния център COSI. Sutter е домакин на „Попитай космика“ и „Космическо радио“ и води AstroTours по целия свят. Sutter допринесе тази статия за експертните гласове на Space.com: Op-Ed & Insights.
За да посетите наистина странна земя, пълна с чудеса и мистерия, не е нужно да се промъквате през вълшебен кабинет, да карате летящо създание, което не бива да може да лети или да скача безразсъдно през портал в друго измерение. Не, всичко, което трябва да направите, е да отпуснете ускорителя си за частици и да погледнете надолу, надолу, надолу.
На субатомното ниво истинското разнообразие и великолепие на природата е изложено на пълен изглед, с главозамайващ масив от частици, сили и полета, всички свистящи и вихри, управлявани от почти непростими закони на физиката. И все пак някак, вместо да създават хаотична бъркотия, всичките им сложни взаимодействия създават редовния, подреден, шаблонен макроскопичен свят, с който сме запознати. [Странни кварки и муони, о, мои! Най-малките частици на природата, разчленени (Инфографика)]
Човек може да разбере този мъничък свят, разделен на строга йерархия, с ясни линии между владетелите и управляващите, между онези, които седят удобно в своите стабилни замъци, и ниско селяните, които всъщност вършат работата. Взаимодействията между различните обитатели са поставени на камък чрез неизменни правила: Има място за всички и всеки има място.
Ела, да посетим.
Хубаво е да си краля
В центъра на всичко това са най-масивните стабилни частици: кварците нагоре и надолу. Дълголетието им позволява да се свържат заедно в почти непревземаеми крепости: нуклеоновите замъци, известни като протони и неутрони. Но не самите кварки са тези, които поддържат тези нуклеонови цитадели. В действителност, комбинираната маса на всички кварки в нуклон е много по-малка от масата на протона или неутрона.
Вместо това кварките нагоре и надолу са пропити със специална способност, непозната за другите частици в царството. Те могат да почувстват силната ядрена сила. Това е най-мощната сила, която слепва кварките толкова интензивно, че нито един не може да се види изолирано. Това взаимодействие формира невиждания гръбнак на нашия макроскопичен свят. Приемаме протони и неутрони за даденост - така солидно изграждат замъчните си стени. И техните маси се дължат най-вече на силата на техните вътрешни ядрени връзки, а не на отделните кварки.
Силната ядрена сила не спира на нивото на протоните и неутроните. Лепилото, което свързва кварките и им дава господство над всички останали частици, е толкова доминиращо, че може да събере няколко от тези замъци заедно в здрава крепост, известна като атомно ядро. Въпреки че тази структура не е непревземаема, като протоните и самите неутрони, преграждането на ядро все още изисква огромни усилия.
И все пак, при цялата си властваща сила, обхватът на винкелите на кварците е ограничен до техния замък и околните околности. Това е така, защото силната сила, с цялата си сила, е силно ограничена в обхвата. Това определя размера на крепостите, замъците и поддържа, които ние определяме като нуклоните на нашия свят. [7 странни факта за Quarks]
Обличане на полетата
Отвъд ограничения диапазон, кварките проверяват своите домейни и общуват помежду си чрез кралските пратеници - фотоните. Тези бързи пратеници прескачат от място на място във Вселената, никога не изморяват, носейки електромагнитната сила - електричество, магнетизъм и дори самата светлина - към всяка частица, която има електрически заряд. Това влияние се простира в целия космос, въпреки че, колкото по-далече сте от източника, толкова по-слаб е ефектът.
Това електромагнитно свързване поддържа подчинените на субатомния свят в съответствие и макар че кварките прекарват дните си на празен ход в относителния комфорт на своите сигурни и уединени замъчни пази, потиснатите "селяни" - електроните - вършат цялата работа за създаването на богатите вариации от възможни химични реакции. Точно така - именно бедните, невежи електрони робят за своите господари на кварки. Свързани с ядрото от електромагнетизма - но обикновено пречещи да влязат в действителност по правилата на квантовата механика - електроните се обменят между атомите, което ни дава химията, която прави възможно почти всичко за ежедневието ни.
Управляващите кваркове щастливо ще търгуват, открадват и заемат скромен електрон от съседен домейн, оформяйки движенията си с тежки ръце, изтласкващи се от фотоните - без да се грижат за техните индивидуални надежди, мечти или амбиции (поточно свободно през Вселената, навиване около магнитни полета и така нататък).
Дебнеш в сенките
Но не всички частици във Вселената се държат под палеца на деспотичните кварки. Някои могат да се движат свободно из цялата Вселена, без да усещат силната сила и безопасно игнорирайки неясни отблясъци от всеки преминаващ фотон: неутрино. Тези призрачни частици могат да се скрият в полезрението си, толкова ефервесцентни, че десетилетия наред сме смятали, че са изцяло безмасова.
Неутрино се предлагат в три вида - електрон-неутрино, муон-неутрино и тау-неутрино, но те са толкова добре прикрити, че никога не сте сигурни кой от тях гледате. Докато пътуват, те могат да преминат през маските, които носят, превключвайки самоличността си с лекотата на опитен шпионин. Техните маски определят как (понякога) взаимодействат с останалите частици във Вселената: Електронно неутрино ще участва само в реакции, включващи електрони, например.
Но поради наглото естество на неутрино, процес, който генерира особен аромат на тази частица, не винаги може да се извърши в обратна посока, за да хване отново първоначалното разнообразие - това е превключена идентичност.
И все пак, въпреки всичките им трикове и изкривяване, неутрините не са имунизирани да влияят от домейните на кварките. Но за да се получи такъв ефект, са необходими специалните сили. Експертните частици, наречени W и Z бозони, носители на слабата ядрена сила, са единствените, които могат да общуват с нечестивите неутрино. В някои случаи бозоните успяват да преобразуват неутрино в по-съвместими същества, като електрони.
Дори и тогава това е късмет: през повечето време подъл неутрино се размива.
Но наборът от умения на онези W и Z бозони, тайните бойци на черни опи от света на частиците, се простира по-далеч от самото рядко срещано неутрино. Те също имат почти изключителен достъп до вътрешното светилище на нуклоновата крепост и могат да променят един вид кварк в друг. Ако неутрон избяга от безопасността на атомно ядро, тези специални бозони могат да трансформират тази частица в по-стабилен протон.
Извън царството
Разбира се, това не дава пълната картина на субатомния свят. Целият стандартен модел, портретът ни на тези мънички същества и всичките им взаимодействия със заето тяло е много по-голям и сложен, отколкото може да се съдържа в няколко абзаца. И макар Стандартният модел да е триумф на съвременната физика, залепен болезнено в течение на десетилетия, с взискателни прогнози и прецизни експерименти, това също е непълна картина на нашия свят.
От една страна, тя не включва гравитацията, която в момента е най-добре описана от също непълната обща теория на относителността. Съществуват и оставащи космологични въпроси за природата на тъмната материя и тъмната енергия, за които традиционният стандартен модел мълчи (защото тези явления бяха открити едва наскоро). Има още: масата на неутрино, йерархията на силите и т.н.
Но макар и далеч от пълна и може би малко неудовлетворителна в подхода си за дъвчене на дъвки и канали за моделиране на физическия свят, Стандартният модел е невероятно полезен. Той може да предскаже с изумителна точност движенията и движенията на тези субатомни обитатели и всичките им зловещи схеми.
Научете повече, като слушате епизода "Кой живее в зоопарка с частици?" в подкаста „Попитай космонавта“, достъпен в iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com. Благодаря на Алесандро М., Роджър, Мартин Н., Даниел К. и @PoZokhr за въпросите, довели до това парче! Задайте собствения си въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.
