A proton (az előtér) három kvarkból áll, amelyek mindegyike egyedi tulajdonságú, színnek nevezett. Szorosan tartják őket az erős nukleáris erő.
(Kép: © Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium)
Paul M. Sutter asztrofizikus a Az Ohio Állami Egyetem, házigazda Kérdezz egy űrhajóstól és Space Radio, és a Helyed az univerzumban. Sutter hozzájárult ehhez a cikkhez Az Space.com szakértői hangjai: Op-Ed és Insights.
A természet mind a négy erõnek megvan a saját egyedi helye. Gravitáció, elektromágnesesség, gyenge nukleáris, erős atommag: Mindegyik az életünk valamilyen kis területét irányítja. Miközben mindennapi tapasztalatainkban a Föld gravitációja, valamint a fény- és hűtőmágnesek elektromágnesessége dominál, az iker atomerőművek is kulcsszerepet játszanak - csak nagyon-nagyon apró méretekben.
Mennyire kicsi? Képzelje el magát léggömbön, hogy a Naprendszer méretévé váljon. A kezed úszik át Oort Cloud önmagában a bolygók fészkelnek a hasad felett. Olyan nagy vagy, hogy az elektromos jelek hetekig, sőt akár hónapokig is tarthatnak, hogy az idegrendszeren áthaladjanak, és még a legegyszerűbb gesztusok is fájóan lassúvá váljanak.
Ez a különbség a jelenlegi méret (kb. Néhány méter) és 10 ^ 15 méter között.
Most futtassa fordítva. Képzeljen el egy olyan kicsi skálát, hogy jelenlegi teste ugyanolyan hatalmasnak érzi magát, mint a Naprendszer. Olyan skála, ahol a mozgások a leglassabb ütemben haladnak. Ez a hihetetlenül apró skála a femtométer: 10 ^ -15 méter. Ez az atommag mérete.
A protonba
Innentől kezdve csábító a protont egyetlen részecskének gondolni. Egy kemény héjú, pozitív töltésű és tömegű, képes visszapattanni és körülölelni olyan könnyedén, mint egy biliárdgolyó. De a valóságban egy proton három kisebb részecskéből áll. Ezeknek a részecskéknek a kvarkok elragadóan furcsa neve van. Összesen hatféle kvark létezik a természetben, de a proton alapos vizsgálatához csak kettővel kell foglalkoznunk, nevezzük a fel és le kvarkokat.
Mint mondtam, a proton kvarkok hármasa: kettõ fel és kettõ fel. Ezek a kvarkok csapatként kapcsolódnak egymáshoz, és ezt a kötött csapatot nevezzük protonnak.
Kivéve, hogy ennek semmi értelme nincs.
A két kvark pontosan ugyanazzal az elektromos töltéssel rendelkezik (mivel ők ugyanolyan fajta részecskék), tehát abszolút gyűlölniük kell egymást. Hogyan maradnak annyira szorosan ragasztva?
Sőt, a kvantummechanikából azt tudjuk, hogy két kvark nem oszthatja meg pontosan ugyanazt az állapotot - nem kötheti össze ugyanolyan kettőt. Nem szabad engedni, hogy ez a két kvark együtt létezzen együtt. És mégis, nemcsak tolerálják egymást, hanem úgy tűnik, hogy igazán élvezik a társaságot!
Mi történik?
Más színű
Az 1950-es és 60-as években a fizikusok rájöttek, hogy a proton nem alapvető fontosságú - kisebb részekre bontható. Tehát csomó kísérletet végeztek és egy csomó elméletet fejlesztettek ki az adott dió feltörésére. És azonnal belerohantak a) kvarkok létezéséhez és b) a fenti rejtélyes gondolatokhoz.
Valami összetartotta a három kvarkot. Valami nagyon-nagyon erős. A természet új ereje.
Az erős erő.
Az akkor feltételezett erős erő egyszerű brutális erővel oldotta meg a párhuzamosan létező kvarkok problémáit. Ó, nem szeretsz együtt lenni, mert nem tudsz ugyanazt az állapotot megosztani? Nos, túl rossz, az erős erő mindent el fog késztetni rá, és megoldást fog nyújtani a probléma megoldására.
És minden erőnek van kapcsolódási pontja. Egy horog. Annak módja, hogy megmondhassuk ennek az erőnek a jelentőségét. Az elektromágneses erő számára ez az elektromos töltés. A gravitáció szempontjából ez a tömeg. Az erős nukleáris erő érdekében a fizikusoknak új horgot kellett előállniuk. A kvarc módja annak, hogy ezen erőn keresztül csatlakozzon egy másik kvarchoz. És a fizikusok a szín színét választották.
Ha tehát Önnek vagy egy ismert részecskének ez az új tulajdonsága van, az úgynevezett szín, akkor érezni kell az erős nukleáris erőt. A színek lehetnek vörös, zöld vagy kék (zavaróan vannak vörös, zöld és anti-kék is, mert az élet természetesen nem olyan egyszerű). Egy protonhoz hasonló részecske felépítéséhez a kvarkok minden színének fehérnek kell lennie. Így az egyik kvarkot pirosnak, a másiknak zöldnek, az utoljára kéknek rendelik hozzá. A szín különleges hozzárendelése valójában nem számít (és valójában az egyes kvarkok folyamatosan megváltoztatják a színt), számít az, hogy mindegyik fehér színűvé válik és az erős erő képes elvégezni a munkáját.
A szín ezen új tulajdonsága lehetővé teszi a kvarkok számára, hogy megosszák az állapotot egy protonban. A színnél nincs két kvarc pontosan ugyanaz - most már különböző színűek.
Szuper erő
Képzelje el, hogy vesz két kis fogót, és megragadja a protonban lévő kettőt. Dolgozol, tehát képes legyőzni az őket összetartó erős nukleáris erő erejét.
De itt van valami furcsa az erős erővel kapcsolatban: Ez nem csökken a távolsággal. Más erők, mint például a gravitáció és az elektromágnesesség, hatnak. De az erős erő ugyanolyan erős marad, mint mindig, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak ezek a kvarkok.
Tehát miközben ezeket a kvarkokat vontatja, egyre több energiát kell hozzáadnia az elválasztás fenntartásához. Végül annyi energiát ad hozzá, hogy az energiának egyenértékűnek kell lennie a tömeggel, és mindezek mellett új részecskék jelennek meg a kvarkok közötti vákuumban. Új részecskék, mint… más kvarkok.
Ezek az új kvarkok szinte azonnal megtalálják újonnan elválasztott barátjukat, és egymáshoz kötődnek, eldobják az összes kemény munkádat, és egyetlen energiahullámmal verejték el, még mielőtt a távolság észrevehető lesz. Mire gondolja, hogy elválasztotta a kvarkokat, már találtak újakat, amelyekhez kötődni tudtak. Ezt a hatást kvarckérülésnek nevezik: Az erős erő valójában annyira erős, hogy megakadályozza, hogy a kvarkot elszigetelten láthassuk.
Kár, hogy soha nem fogjuk látni, mi a színe.
Tudjon meg többet az epizód meghallgatásával "Mi teszi az erõs erõt olyan erõssé?" az Ask A Spaceman podcaston, amely elérhető az iTuneson és a weben a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Kayja N.-nak és Ter B.-nek a kérdéshez, amely a darabhoz vezetett! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman segítségével, vagy Paul @PaulMattSutter és facebook.com/PaulMattSutter követésével.
- A fizikusok csak egy nagyon furcsa részecskét fedeztek fel, amely egyáltalán nem részecske
- Egynél több valóság létezik (a kvantumfizikában)
- Miért érdeklődnek a fizikusok a legkeményebb kvarc rejtélyes okai iránt?
