MIS TEEB TUGEVA JõU NII ERILISEKS?

Send

Prooton (esiplaan) koosneb kolmest kvarki, millest igaühel on ainulaadne omadus, mida nimetatakse värviks. Tugev tuumajõud hoiab neid tihedalt kinni.

(Pilt: © Lawrence Berkeley riiklik labor)

Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis. Sutter tegi selle artikli kaastööd Space.comi eksperthääled: op-ed ja teadmised.

Kõigil neljal teadaoleval loodusjõul on oma ainulaadne koht. Gravitatsioon, elektromagnetism, nõrk tuum, tugev tuum: igaüks neist juhib meie elu väikest valdkonda. Kui meie igapäevastes kogemustes domineerib Maa gravitatsioon ning valguse ja külmkapimagnetite elektromagnetism, mängivad võtmerolli ka kaksikud tuumajõud - just väga-väga väikestes skaalades.

Kui pisike? Kujutage endale ette, kuidas õhkub päikesesüsteemi suuruseks. Teie käed ujuvad läbi Oorti pilv iseenesest pesitsevad planeedid teie nabaniigi kohal. Olete nii suur, et elektrisignaalide läbimiseks teie närvisüsteemist kulub nädalaid või isegi kuid, muutes isegi kõige lihtsamad žestid valutavalt aeglaseks.

See on erinevus teie praeguse suuruse (umbes paar meetrit) ja 10 ^ 15 meetri vahel.

Nüüd käivitage see vastupidiselt. Kujutage ette, et skaala on nii väike, et teie praegune keha tunneb end sama ulatuslikult kui päikesesüsteem. Skaala, kus teie liigutused tõusevad kõige aeglasemalt. See uskumatult pisike skaala on femtomeeter: 10–15 meetrit. See on aatomituuma skaala.

Sisse prooton

Siit ülespoole on ahvatlev mõelda prootonile kui ühele osakesele. Kõva kest ja positiivne laeng, mis suudab põrgatada ja ringi koputada sama hõlpsalt kui piljardikuul. Kuid tegelikkuses on prooton valmistatud kolmest väiksemast osakestest. Nendel osakestel on kvarkide meeldivalt pentsik nimi. Looduses on kokku kuut tüüpi kvarke, kuid prootoni põhjalikuks uurimiseks peame hoolima ainult kahest neist, mida nimetatakse üles ja alla kvarkideks.

Nagu ma ütlesin, on prooton kvarkide kolmik: kaks üles kvarki ja üks allapoole kvarki. Need kvargid seovad omavahel meeskonnana ja seda seotud meeskonda kutsume prootoniks.

Välja arvatud see, et sellel ei tohiks olla mingit mõtet.

Kahel üles kvarkil on täpselt sama elektrilaeng (kuna need on täpselt samasugused osakesed), nii et nad peaksid üksteist absoluutselt vihkama. Kuidas nad püsivad nii tihedalt liimitud?

Ja pealegi teame kvantmehaanikast, et kaks kvarki ei saa jagada täpselt sama olekut - te ei saa kahte samalaadset omavahel siduda. Neil kahel kvarkil ei tohiks niimoodi koos eksisteerida. Ja siiski, nad mitte ainult ei salli üksteist, vaid näivad ka tõesti, et naudivad seltskonda!

Mis toimub?

Erinevat värvi

1950ndatel ja 60ndatel hakkasid füüsikud mõistma, et prooton ei ole põhiline - seda saab jagada väiksemateks osadeks. Nii tegid nad hunniku katseid ja töötasid välja hunniku teooriaid selle konkreetse pähkli purustamiseks. Ja nad sattusid kohe a) kvarkide olemasolu ja b) ülalolevate mõistatuslike veendumuste juurde.

Midagi hoidis neid kolme kvarki koos. Midagi tõesti, väga tugevat. Uus loodusjõud.

Tugev jõud.

Toonane hüpoteesitud tugev jõud lahendas koos eksisteerivate kvarkide probleemid lihtsa jõhkra jõuga. Oh, teile ei meeldi koos olla, sest te ei saa sama olekut jagada? Noh, liiga halb, tugev jõud paneb sind nagunii seda tegema ja see aitab selle probleemi lahendada.

Ja igal jõul on ühenduspunkt. Konks. Viis, kuidas öelda sellele jõule, kui palju teid see mõjutab. Elektromagnetilise jõu jaoks on see elektrilaeng. Raskusjõu jaoks on see mass. Tugeva tuumajõu saamiseks pidid füüsikud välja tulema uue konksuga. Viis, kuidas kvark saab selle jõu kaudu ühenduse teise kvarkiga. Ja füüsikud valisid sõna värvi.

Seega, kui teie või teie teada oleva osakese jaoks on see uus omadus, mida nimetatakse värviks, siis tunnete tugevat tuumajõudu. Teie värv võib olla üks punasest, rohelisest või sinisest (segane on ka punane, roheline ja sinine, sest elu pole muidugi nii lihtne). Prootonilaadse osakese ehitamiseks peavad kvarkide kõik värvid olema valged. Nii omistatakse ühele kvargile punane, teisele roheline ja viimasele sinine. Konkreetsel värvi määramisel pole tegelikult tähtsust (ja tegelikult muudavad üksikud kvargid pidevalt värvi), oluline on see, et need kõik moodustaksid valge ja et tugev jõud saaks oma tööga hakkama.

See uus värviomadus võimaldab kvarkadel prootonis olekut jagada. Värviga pole kaks kvarki täpselt ühesugused - neil on nüüd erinevad värvid.

Super tugevus

Kujutage ette, et võtate kaks väikest näpitstangit ja haarate prootonist kaks kvarki. Teete trenni, nii et suudate üle saada neid koos hoidva tugeva tuumajõu tugevusest.

Kuid siin on tugeva jõu kohta midagi imelikku: kaugusega see ei vähene. Teised jõud, nagu gravitatsioon ja elektromagnetiline jõud, toimivad. Kuid tugev jõud püsib täpselt nii tugev, kui see alati on, hoolimata sellest, kui kaugel need kvargid üksteisest asuvad.

Niisiis, kui neid kvarke pukseerite, peate eraldamise säilitamiseks pidevalt rohkem energiat lisama. Lisate lõpuks nii palju energiat, et kui energia on võrdne massiga ja kõige sellega, ilmuvad kvarkide vahele vaakumisse uued osakesed. Uued osakesed nagu… muud kvargid.

Need uued kvargid leiavad peaaegu kohe oma äsja eraldatud sõbrad ja seovad end kokku, viskades kogu teie raske töö ja higistades ühe energia välguga enne, kui nendevaheline kaugus on isegi märgatav. Selleks ajaks, kui arvate, et olete kvargid eraldanud, on nad juba leidnud uusi, millega siduda. Seda efekti nimetatakse kvargi kinnistamiseks. Tugev jõud on tegelikult nii tugev, et see takistab meil kvarki isoleerimast.

See on häbi, et me ei näe kunagi selle värvi.

Lisateavet saate episoodi kuulates "Mis teeb tugeva jõu nii tugevaks?" taskuhäälingus Ask A Spaceman, mis on saadaval iTunesis ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com. Tänu Kayja N.-le ja Ter B.-le küsimuste eest, mis selle tüki juurde viisid! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või järgides Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.