A szemcsék, erők és szédítő szédítő sorok mindazok szubatómiai alapját diktálják, amelyeket látunk.
Paul Sutter az Ohio Állami Egyetemen asztrofizikus és a COSI tudományos központ vezető tudósa. Sutter a "Ask a Spaceman" és a "Space Radio" házigazdája, és az AstroTours-ot vezet világszerte. Sutter hozzátette ezt a cikket az Space.com szakértői hangjaihoz: Op-Ed & Insights.
Ahhoz, hogy meglátogassa a valóban furcsa, csodával és rejtélytel teli földet, nem kell varázslószekrényen át átcsúsznia, egy repülõ teremtményt lovagolni, amelynek nem szabad repülnie, vagy gondatlanul át kell ugrani egy portálon keresztül egy másik dimenzióba. Nem, csak annyit kell tennie, hogy feltörje a részecske-gyorsítót, és nézzen le, le, le.
Szubatómiai szinten a természet valódi változatossága és pompája a teljes kijelzőn látható, szikrázó részecskék, erők és mezők sorozata mellett, amelyek minden körül forognak és forognak, majdnem megvitathatatlan fizikai törvények irányítják. Valahogy a kaotikus rendetlenség létrehozása helyett azonban minden bonyolult kölcsönhatásuk létrehozza a szokásos, rendezett, mintás makroszkopikus világot, amelyről ismertünk. [Furcsa kvarkok és muonok, Oh My! A természet legkisebb részecskéi boncolva (infographic)]
Meg lehet érteni azt az apró világot, amelyet szigorú hierarchiába szegregáltak, egyértelmű vonallal az uralkodók és az uralkodók között, azok között, akik kényelmesen ülnek stabil kastélyaikban, és az alázatos parasztok között, akik valóban elvégzik a munkát. A különféle befogadók közötti interakciókat változhatatlan szabályok kövezik: Mindenkinek van hely, és mindenkinek van hely.
Gyere, látogassunk meg.
Jó lenni a király
Középpontjában a legtömegebb stabil részecskék vannak: a fel és le kvarkok. Hosszú élettartamuk lehetővé teszi számukra, hogy szinte impregnálhatatlan erődökbe kötődjenek: a protonok és neutronok néven ismert nukleonvárakhoz. De nem maguk a kvarkok végzik el ezeket a nukleonikus fellegvárakat. Valójában, a nukleon összes kvarkjának együttes tömege jóval kisebb, mint a proton vagy a neutron tömege.
Ehelyett a fel és le kvarkokat olyan különleges képesség jellemzi, amelyek a birodalom többi részecskéje számára nem ismertek. Érezhetik az erős nukleáris erőt. Ez messze a legerősebb erő, amely annyira intenzíven ragasztja össze a kvarcokat, hogy egyetlenet soha nem lehet elszigetelten látni. Ez az interakció képezi a makroszkopikus világunk láthatatlan gerincét. Magától értetődőnek tekintjük a protonokat és a neutronokat - éppen ilyen szilárdan építik meg kastélyfalaikat. És tömegük elsősorban a belső nukleáris kötéseik erősségéből fakad, nem pedig az egyes kvarkokból.
Az erős nukleáris erő nem áll meg a protonok és a neutronok szintjén. A ragasztó, amely megköti a kvarcokat, és uralmat ad nekik az összes többi részecske felett, annyira domináns, hogy néhány ilyen kastélyt összegyűjthet egy erőteljes erődítménybe, amelyet atommagként ismert. Noha ez a szerkezet nem áthatolhatatlan, mint maguk a protonok és a neutronok, egy atommag megbomlása továbbra is óriási erőfeszítéseket igényel.
Ugyanakkor minden uralkodó erejük miatt a kvarkok helyettesítő fogása csak az adott várra és a környékre korlátozódik. Ennek oka az, hogy az erős erő, az összes ereje miatt, hatótávolsága súlyosan korlátozott. Ez határozza meg az erődök, kastélyok méretét, és ezt tartja fenn, amelyet világunk magjaiként azonosítunk. [7 furcsa tény a kvarkokról]
A mezők feltöltése
Ezen a korlátozott tartományon túl a kvarkok ellenőrzik domainjeiket, és a királyi hírvivőkön - a fotonokon keresztül - kommunikálnak egymással. Ezek a gyorslábú küldöttek az univerzumban helyről a másikra ugornak, soha nem fáradhatnak, és az elektromágneses erőt - az elektromosságot, a mágnesességet és még a fényt is - bármely olyan részecskére viszik, amely elektromos töltéssel rendelkezik. Ez a befolyás kiterjed az egész kozmoszra, bár természetesen minél távolabb van a forrástól, annál gyengébb a hatás.
Ez az elektromágneses kötés vonalban tartja a szubatómiai világ alsó részét, és míg a kvarkok napjaikat szabadon járatják biztonságos és magányos kastélyuk viszonylagos kényelmében, addig az alárendelt "parasztok" - elektronok - mindent megtesznek annak érdekében, hogy a gazdag variációk lehetséges kémiai reakciók. Így van - a szegény, tudatlan elektronok ragaszkodnak a kvarcmestereikhez. Az atommaggal elektromágnesesen megkötve - de általában a kvantummechanika szabályai által akadályozva a belépést - az atomok között kicserélik az elektronokat, és olyan kémiát adnak nekünk, amely mindennapi életünkben szinte mindent lehetővé tesz.
Az uralkodó kvarkok boldogan elcserélnek, lopnak és kölcsön vesznek egy szomszédos elektronot a szomszédos területektől, mozgásukat a fotonok nehézkezes formájával alakítják - anélkül, hogy az egyéni reményeikkel, álmaikkal vagy ambícióikkal foglalkoznának (szabadon áramlik az univerzumon, mágneses körül mezők és így tovább).
Az árnyékban rejlik
De az univerzum nem minden részecskét tartja a despotikus kvarkok hüvelykujja alatt. Vannak, akik szabadon áramolhatnak az egész világegyetemben, nem érzékelik az erős erőt, és nem veszik biztonságosan figyelmen kívül az átmenő fotonok: a neutrínók gonosz tükröződését. Ezek a kísérteties részecskék nyilvánvaló látványban elrejtik magukat, oly pezsgő erejűek, hogy évtizedek óta azt gondoltuk, hogy teljesen tömegek.
A neutrínók háromféle típusúak: az elektron-neutrino, a muon-neutrino és a tau-neutrino, de annyira jól elrejtve, hogy soha nem tudják biztosan, melyiket nézik. Utazás közben átkerülhetnek a viselt maszkokon, és válthatják személyazonosságukat egy tapasztalt kém könnyedén. Maszkok meghatározzák, hogy miként (alkalmanként) lépnek kölcsönhatásba az univerzum többi részecskéjével: Egy elektron-neutrinó csak az elektronokat érintő reakciókban vesz részt.
De a neutrinosok rosszindulatú jellege miatt egy folyamat, amely ennek a részecskének egy bizonyos ízét kelti, nem mindig fordítva hajtható végre, hogy újra megkapja az eredeti fajtát - kapcsolt identitások.
Mindazonáltal, az összes trükkö és bűntudatuk ellenére, a neutrinók nem kórosak a kvarkok doménjeitől. De ahhoz, hogy ez a fajta hatás megtörténjen, speciális erőkre van szükség. A szakértő részecskék, amelyeket W és Z boszonoknak hívnak, a gyenge nukleáris erő hordozói képesek egyedül kommunikálni a durva neutrinókkal. Egyes esetekben a boszonoknak sikerül a neutrinókat megfelelőbb lényekké alakítani, például elektronokká.
Még akkor is, ha ez egy szerencsés esély: a bosszantó neutrinók legtöbbször elszenvednek.
Azonban a W és Z boszonok, a részecske-világ titkos black-ops küzdelmeinek készségei tovább terjednek, csak a ritka neutrinóval való találkozásnál. Szinte kizárólagos hozzáféréssel rendelkeznek a nukleon erődítmény belső szentélyéhez, és megváltoztathatják az egyik kvarkot a másikra. Ha egy neutron elkerül egy atommag biztonságosságától, ezek a speciális bozonok képesek a részecskét stabilabb protonré alakítani.
A birodalomon kívül
Természetesen ez nem ad teljes képet a szubatómiai világról. A teljes standard modell, az apró lények arcképe és az összes busz kölcsönhatása sokkal nagyobb és összetettebb, mint amit néhány bekezdés tartalmazhat. És bár a standard modell a modern fizika diadalma, amelyet évtizedek folyamán fájdalmasan ragaszkodtak szigorú előrejelzésekkel és pontos kísérletekkel, ez szintén hiányos kép a világunkról.
Az egyik nem foglalja magában a gravitációt, amelyet jelenleg a leginkább a hiányos általános relativitáselmélet ír le legjobban. Vannak még a sötét anyag és a sötét energia természetével kapcsolatos vonzó kozmológiai kérdések is, amelyekről a hagyományos standard modell hallgat (mivel ezeket a jelenségeket csak a közelmúltban fedezték fel). Még több: a neutrinó tömege, az erők hierarchiája és így tovább.
De bár a standard modell messze nem teljes, és talán kissé elégedetlen a rágógumi és a csatorna-szalag megközelítésében a fizikai világ modellezése szempontjából, a standard modell hihetetlenül hasznos. Megdöbbentő pontossággal képes előre jelezni az ezen szubatómiai lakosság mozgásait és mozgásait, valamint minden rosszindulatú szketingját.
Tudjon meg többet, ha hallgatja a "Ki él a részecskekertben" című epizódot. az „Ask a Spaceman” podcaston, amely elérhető az iTuneson és az interneten a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Alessandro M.-nak, Roger-nek, Martin N.-nak, Daniel C.-nek és @PoZokhr-nek a kérdéshez, amely a darabhoz vezetett! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman segítségével, vagy Paul @PaulMattSutter és facebook.com/PaulMattSutter követésével.
