Protón (popredie) sa skladá z troch kvarkov, z ktorých každý má jedinečnú vlastnosť nazývanú farba. Drží ich silná jadrová sila.
(Obrázok: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy Vaše miesto vo vesmíre, Sutter prispel k tomuto článku Hlasy expertov Space.com: Op-Ed & Insights.
Všetky štyri známe prírodné sily majú svoje jedinečné miesto. Gravitácia, elektromagnetizmus, slabá jadrová energia, silná jadrová energia: Každá z nich ovláda malú doménu nášho života. Zatiaľ čo v našich každodenných skúsenostiach dominuje gravitácia Zeme a elektromagnetizmus svetla a magnetov chladničky, kľúčové jadrové sily zohrávajú kľúčovú úlohu - len vo veľmi malých mierkach.
Aké malé? Predstavte si balóniky, aby ste sa stali veľkosťou slnečnej sústavy. Vaše ruky plávajú cez Oort Cloud Samotné planéty sa hniezdia nad tlačidlom brucha. Ste takí veľkí, že elektrické signály trvajú týždne alebo dokonca mesiace, aby prešli svojou nervovou sústavou a dokonca aj tie najjednoduchšie gestá boli bolestivo pomalé.
To je rozdiel medzi vašou aktuálnou veľkosťou (zhruba niekoľko metrov) a 10 - 15 metrov.
Teraz to spustite opačne. Predstavte si mierku, ktorá je taká malá, že sa vaše súčasné telo cíti rovnako veľké ako slnečná sústava. Mierka, v ktorej sa vaše pohyby pohybujú pri najmenšom tempe. Táto neuveriteľne malá mierka je femtometer: 10 ^ -15 metrov. Je to mierka atómového jadra.
Do protónu
Odtiaľto hore je lákavé myslieť na protón ako na jedinú časticu. Tvrdá škrupina s pozitívnym nábojom a hmotnosťou, schopná odraziť sa a zraziť sa rovnako ľahko ako gulečník. V skutočnosti je však protón vyrobený z troch menších častíc. Tieto častice majú nádherne nepredvídateľný názov kvarkov. V prírode je celkom šesť druhov kvarkov, ale pri podrobnom skúmaní protónu sa musíme starať iba o dva z nich, pomenované kvarky hore a dole.
Ako som už povedal, protón je triplet kvarkov: dva kvarky hore a jeden kvark dole. Tieto kvarky sa spájajú ako tím a tento zviazaný tím sa nazýva protón.
Okrem toho by to nemalo zmysel.
Dva kvarky majú presne rovnaký elektrický náboj (pretože sú to presne rovnaké častice), takže by sa mali navzájom úplne nenávidieť. Ako zostávajú tak pevne prilepení?
A čo viac, z kvantovej mechaniky vieme, že dva kvarky nemôžu zdieľať presne ten istý stav - nemôžete navzájom spájať dva rovnaké druhy. Týmto dvom kvarkom by sa nemalo dovolené spolunažívať spolu. A predsa sa nielen tolerujú, ale zdá sa, že sa im spoločnosť naozaj páči!
Čo sa deje?
Iná farba
V 50. a 60. rokoch si fyzici začali uvedomovať, že protón nie je zásadný - dá sa rozdeliť na menšie časti. Urobili tak veľa experimentov a vyvinuli veľa teórií, aby rozbili túto konkrétnu maticu. A okamžite narazili na a) existenciu kvarkov ab) záhadné hlavolamy vyššie.
Niečo držalo tieto tri kvarky pohromade. Niečo naozaj, naozaj silné. Nová sila prírody.
Silná sila.
Vtedy predpokladaná silná sila vyriešila problémy koexistujúcich kvarkov jednoduchou hrubou silou. Och, nechceš byť spolu, pretože nemôžeš zdieľať ten istý štát? No, príliš zlé, silná sila vás napriek tomu prinúti urobiť to a bude to spôsob, ako vyriešiť tento problém.
A každá sila má bod pripojenia. Háčik. Spôsob, ako povedať tejto sile, koľko vás to ovplyvňuje. Pre elektromagnetickú silu je to elektrický náboj. Pre gravitáciu je to hmotnosť. Pre silnú jadrovú silu museli fyzici prísť s novým háčikom. Spôsob, ako sa môže kvark prostredníctvom tejto sily spojiť s iným kvarkom. Fyzici si vybrali farbu slova.
Ak teda vy alebo častica, ktorú poznáte, majú túto novú vlastnosť nazývanú farba, budete cítiť silnú jadrovú silu. Vaša farba môže byť červenej, zelenej alebo modrej (mätúce sú tu tiež antianderné, antimodré a modro-modré, pretože život samozrejme nie je taký jednoduchý). Aby sa vytvorila častica ako protón, všetky farby kvarkov sa musia sčítať do bielej. Jeden kvark je teda priradený k červenej, druhý k zelenej a posledný k modrej. Konkrétne priradenie farby v skutočnosti nezáleží (a v skutočnosti jednotlivé kvarky neustále menia farbu), na čom záleží, je to, že všetky sa sfarbujú na bielu a že silná sila môže robiť svoju prácu.
Táto nová vlastnosť farby umožňuje to, aby kvarky zdieľali stav vnútri protónu. S farbou nie sú dva kvarky úplne rovnaké - teraz majú rôzne farby.
Super sila
Predstavte si, že vezmete dva malé kliešte a chytíte dva kvarky v protóne. Cvičíte, takže ste schopní prekonať silu silnej jadrovej sily, ktorá ich drží pohromade.
Ale o silnej sile je niečo divné: so vzdialenosťou sa nezmenšuje. Iné sily, ako je gravitácia a elektromagnetizmus, áno. Silná sila však zostáva taká silná, ako vždy, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú tieto kvarky od seba vzdialené.
Takže keď ťaháte tieto kvarky, musíte neustále pridávať viac a viac energie, aby ste udržali oddelenie. Nakoniec pridáte toľko energie, že energia je ekvivalentná hmotnosti a všetko, čo sa vo vákuu medzi kvarkami objaví nové častice. Nové častice ako ... iné kvarky.
Tieto nové kvarky takmer okamžite nájdu svojich novo odlúčených priateľov a spoja sa, odhodia všetku svoju tvrdú prácu a potu preč v jedinom záblesku energie skôr, ako je vzdialenosť medzi nimi zrejmá. V čase, keď si myslíte, že ste kvarky oddelili, už našli nové, na ktoré sa majú viazať. Tento efekt sa nazýva obmedzovanie kvarkov: Silná sila je skutočne taká silná, že nám bráni v tom, aby sme videli kvark izolovane.
Je škoda, že nikdy neuvidíme, aká je jeho farba.
Ďalšie informácie získate po vypočutí epizódy „Čo robí silnú silu tak silnou?“ na podcastu Ask A Spaceman, ktorý je k dispozícii na iTunes a na webe na adrese http://www.askaspaceman.com. Vďaka Kayja N. a Ter B. za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! Svoju vlastnú otázku položte na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paula @PaulMattSuttera a facebook.com/PaulMattSutter.
- Fyzici práve odhalili veľmi zvláštne častice, ktoré vôbec nie sú časticami
- Viac ako jedna realita existuje (v kvantovej fyzike)
- Prečo sú fyzici zaujímaní záhadnými vtipmi najkrajšieho kvarku
