Podvodné pole častíc, síl a polí diktuje subatomický základ pre všetko, čo vidíme.
Paul Sutter je astrofyzik na Štátnej univerzite v Ohiu a hlavný vedec vo vedeckom centre COSI. Sutter je tiež hostiteľom programu „Spýtajte sa kozmonautov“ a „Vesmírneho rádia“ a vedie spoločnosť AstroTours po celom svete. Sutter prispel týmto článkom k odborným hlasom agentúry Space.com: Op-Ed & Insights.
Ak chcete navštíviť skutočne podivnú krajinu plnú úžasu a tajomstva, nemusíte sa preliezť cez magickú skrinku, jazdiť na lietajúcom stvorení, ktoré by nemalo byť schopné letieť alebo bezohľadne skákať cez portál do inej dimenzie. Nie, všetko, čo musíte urobiť, je otvoriť trhák urýchľovača častíc a pozerať sa dolu, dole, dole.
Na subatomickej úrovni je skutočná rozmanitosť a nádhera prírody v plnom prúde, so závratnou sústavou častíc, síl a polí, ktoré sa všetci bzučia a otáčajú, riadené takmer nevyvrátiteľnými fyzikálnymi zákonmi. Avšak nejako, skôr ako vytvárajú chaotický neporiadok, všetky ich komplikované interakcie vytvárajú pravidelný, usporiadaný, vzorovaný makroskopický svet, ktorý poznáme. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Najmenšie rozptýlené častice prírody (Infographic)]
Dá sa pochopiť ten malý svet, ktorý je rozdelený do prísnej hierarchie, s jasnými hranicami medzi vládcami a vládnucimi, medzi tými, ktorí pohodlne sedí v ich stabilných hradoch a nízko sedliakmi, ktorí skutočne prácu dokončia. Interakcie medzi rôznymi obyvateľmi sú zakorenené nemennými pravidlami: Je tu miesto pre každého a každý má svoje miesto.
Poďme na návštevu.
Je dobré byť kráľom
V strede toho všetkého sú najmasívnejšie stabilné častice: kvarky hore a dole. Ich dlhovekosť im umožňuje spojiť sa do takmer nedobytných pevností: nukleónové hrady známe ako protóny a neutróny. Údržba týchto nukleonálnych citadel však nevykonávajú samotné kvarky. Kombinovaná hmotnosť všetkých kvarkov v nukleóne je skutočne oveľa menšia ako hmotnosť protónu alebo neutrónu.
Namiesto toho sú kvarky hore a dole obohatené špeciálnou schopnosťou, ktorá nie je známa ostatným časticiam v ríši. Cítia silnú jadrovú silu. To je zďaleka najsilnejšia sila, spájajúca kvarky tak intenzívne, že jedinú nikdy nemožno vidieť izolovane. Táto interakcia tvorí neviditeľnú kostru nášho makroskopického sveta. Protóny a neutróny považujeme za samozrejmé - tak pevne stavajú svoje hradné múry. A ich masy sú väčšinou dôsledkom sily ich vnútorných jadrových väzieb, a nie jednotlivých kvarkov.
Silná jadrová sila sa nezastaví na úrovni protónov a neutrónov. Lepidlo, ktoré spája kvarky a dáva im dominanciu nad všetkými ostatnými časticami, je také dominantné, že dokáže zhromaždiť niekoľko z týchto hradov do robustnej pevnosti známej ako atómové jadro. Aj keď táto štruktúra nie je impregnovateľná ako samotné protóny a neutróny, zvrhnutie jadra si stále vyžaduje obrovské úsilie.
Napriek všetkej svojej dominancii je dosah zveráka podobného kvarkom obmedzený na ich konkrétny hrad a blízke okolie. Je to preto, že silná sila je pre svoju silu značne obmedzená v rozsahu. To určuje veľkosť pevností, hradov a hradov, ktoré identifikujeme ako jadrá nášho sveta. [7 podivných faktov o kvarkoch]
Polievanie polí
Okrem tohto obmedzeného rozsahu udržujú kvarky svoje domény pod kontrolou a navzájom komunikujú prostredníctvom kráľovských poslov - fotónov. Títo vyslanci s rýchlymi nohami skočia z miesta na miesto vo vesmíre, nikdy neunavujú a prenášajú elektromagnetickú silu - elektrinu, magnetizmus a dokonca samotné svetlo - na akúkoľvek časticu, ktorá má elektrický náboj. Tento vplyv sa tiahne po celom vesmíre, ale samozrejme, čím ďalej ste od zdroja, tým slabší je účinok.
Táto elektromagnetická väzba udržiava spodky subatomárneho sveta v línii a zatiaľ čo kvarky trávia svoje dni voľnobežné v relatívnom pohodlí svojho zabezpečeného a odľahlého hradu, potláčaní „roľníci“ - elektróny - robia všetku prácu s bohatými variáciami. možných chemických reakcií. To je pravda - sú to zlé, zapaľovacie elektróny, ktoré otrokujú preč od svojich majstrov kvarkov. Elektróny sa viažu na jadro elektromagnetickým signálom - zvyčajne im však bráni vstúpiť podľa pravidiel kvantovej mechaniky - elektróny sa vymieňajú medzi atómami, čo nám umožňuje chémiu, ktorá umožňuje takmer všetko o našom každodennom živote.
Vládnuce kvarky budú šťastne obchodovať, kradnú a požičiavajú si pokorný elektrón zo susednej oblasti, pričom budú formovať svoje pohyby ťažkopádnym prorážaním z fotónov - bez toho, aby sa starali o svoje individuálne nádeje, sny alebo ambície (voľne sa šíria vesmírom, navíjajú sa okolo magnetu polia atď.).
Číhajú v tieni
Nie všetky častice vo vesmíre sú však držané pod palcom despotických kvarkov. Niektorí môžu voľne prúdiť v celom vesmíre, necítia silnú silu a bezpečne ignorujú nevrlé pohľady od prechádzajúcich fotónov: neutrína. Tieto strašidelné častice sa môžu skryť pred očami, tak šumivé, že po celé desaťročia sme si mysleli, že sú úplne bezhmotné.
Neutrína sa dodávajú v troch typoch, elektrón-neutríno, mión-neutríno a tau-neutríno, ale sú natoľko maskované, že si nikdy nie ste istí, ktorý z nich si prezeráte. Keď cestujú, môžu prechádzať cez masky, ktoré nosia, prepínať svoju identitu ľahkosťou skúseného špióna. Ich masky určujú, ako (príležitostne) interagujú so zvyškom častíc vo vesmíre: Elektrónový neutrín sa napríklad zúčastňuje iba reakcií, ktoré sa týkajú elektrónov.
Ale vďaka neutríniovej povahe neutrína nie je možné proces, ktorý vytvára zvláštnu chuť tejto častice, opakovať, aby znovu zachytil pôvodnú odrodu - je to prepínaná identita.
Napriek všetkým trikom a podvodom ešte neutrína nie sú imunitné voči ovplyvňovaniu z domén kvarkov. Aby sa však tento účinok prejavil, sú potrebné špeciálne sily. Experimentálne častice zvané W a Z bozóny, nosiče slabej jadrovej sily, sú jediné, ktoré sú schopné komunikovať s nečestnými neutrínami. V niektorých prípadoch sa bozónom podarí konvertovať neutrína na stvoriteľnejšie tvory, ako sú elektróny.
Dokonca aj vtedy je to šťastná šanca: Zaludní neutrína sa väčšinou zbavujú škót.
Súbor zručností týchto W a Z bozónov, tajných čiernych opsových bojovníkov časticového sveta, však siaha ďalej ako len zriedkavé stretnutie neutrín. Majú tiež takmer výhradný prístup do vnútornej svätyne jadrovej pevnosti a môžu zmeniť jeden druh kvarku na iný. Ak neutrón unikne z bezpečnosti atómového jadra, môžu tieto špeciálne bozóny transformovať túto časticu na stabilnejší protón.
Mimo ríše
Toto samozrejme neposkytuje úplný obraz subatomárneho sveta. Celý štandardný model, náš portrét týchto malých stvorení a všetky ich interakcie medzi podnikmi je oveľa väčší a zložitejší, ako je možné uviesť v niekoľkých odsekoch. Aj keď je štandardný model triumfom modernej fyziky, bolestivo spojeným po celé desaťročia, s náročnými predpoveďami a presným experimentovaním, je to tiež neúplný obraz nášho sveta.
Pre jedného to nezahŕňa gravitáciu, ktorá je teraz najlepšie opísaná aj neúplnou všeobecnou teóriou relativity. Existujú aj pretrvávajúce kozmologické otázky o povahe temnej hmoty a temnej energie, na ktoré tradičný štandardný model mlčí (pretože tieto javy boli objavené len nedávno). Je toho viac: hmotnosť neutrína, hierarchia síl a tak ďalej.
Ale zatiaľ čo zďaleka nie je úplný a možno trochu neuspokojivý, pokiaľ ide o prístup k modelovaniu fyzického sveta so žuvačkami a duktovými vláknami, je štandardný model neuveriteľne užitočný. S prekvapivou presnosťou dokáže predvídať pohyby a pohyby týchto subatomických obyvateľov a všetky ich škodlivé plány.
Ďalšie informácie si môžete vypočuť v epizóde "Kto žije v časticovej zoo?" na podcaste „Spýtajte sa Spacemana“, ktorý je k dispozícii na iTunes a na webe na adrese http://www.askaspaceman.com. Vďaka Alessandrovi M., Rogerovi, Martinovi N., Danielovi C. a @ Pozokhrovi za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! Svoju vlastnú otázku položte na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paula @PaulMattSuttera a facebook.com/PaulMattSutter.
