Протон (передний план) состоит из трех кварков, каждый из которых обладает уникальным свойством, называемым цветом. Они крепко держатся сильной ядерной силой.
(Изображение: © Национальная лаборатория Лоуренса Беркли)
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта а также Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной, Саттер предоставил эту статью Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights.
Все четыре известные силы природы имеют свое уникальное место. Гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное, сильное ядерное: каждый управляет каким-то небольшим доменом нашей жизни. В то время как в нашем повседневном опыте преобладают гравитация Земли и электромагнетизм света и магнитов на холодильник, двойные ядерные силы тоже играют ключевую роль - только в очень, очень маленьких масштабах.
Как крошечный? Представьте, что вы взлетаете, чтобы стать размером с Солнечную систему. Ваши руки плавают через Облако Оорта Сама планета прижимается к пупку. Вы настолько велики, что электрические сигналы проходят через вашу нервную систему неделями или даже месяцами, делая даже самые простые жесты мучительно медленными.
В этом разница между вашим текущим размером (примерно пара метров) и 10 ^ 15 метров.
Теперь запустите его в обратном порядке. Представьте себе настолько маленький масштаб, что ваше нынешнее тело ощущается таким же огромным, как Солнечная система. Шкала, в которой ваши движения развиваются медленными шагами. Этот невероятно маленький масштаб - фемтометр: 10 ^ -15 метров. Это масштаб атомного ядра.
В протон
С этого момента заманчиво думать о протоне как о единой частице. Твердая оболочка с положительным зарядом и массой, способная прыгать и качаться так же легко, как бильярдный шар. Но на самом деле протон состоит из трех более мелких частиц. Эти частицы имеют восхитительно причудливое название кварков. В природе существует шесть видов кварков, но для нашего тщательного изучения протона нам нужно заботиться только о двух из них, названных вверх и вниз кварками.
Как я уже сказал, протон - это триплет кварков: два кварка вверх и один кварк вниз. Эти кварки объединяются в одну команду, и эта связанная команда - это то, что мы называем протоном.
За исключением того, что это не должно иметь никакого смысла.
Два верхних кварка имеют одинаковый электрический заряд (потому что они - частицы одного и того же типа), поэтому они должны абсолютно ненавидеть друг друга. Как они так плотно приклеены?
И более того, мы знаем из квантовой механики, что два кварка не могут иметь одно и то же состояние - вы не можете иметь два одинаковых вида, связанных вместе, как это. Этим двум кваркам не следует так сосуществовать. И все же они не только терпят друг друга, но, кажется, действительно наслаждаются компанией!
В чем дело?
Другой цвет
В 1950-х и 60-х годах физики начали понимать, что протон не является фундаментальным - его можно разбить на более мелкие части. Поэтому они провели ряд экспериментов и разработали ряд теорий для взлома этого конкретного ореха. И они сразу же столкнулись с а) существованием кварков и б) загадочными загадками выше.
Что-то держало эти три кварка вместе. Что-то действительно сильное. Новая сила природы.
Сильная сила.
Тогда предположительно сильная сила решила проблемы сосуществующих кварков с помощью простой грубой силы. О, тебе не нравится быть вместе, потому что ты не можешь жить в одном штате? Что ж, очень плохо, сильная сила все равно заставит вас сделать это, и она поможет решить эту проблему.
И у каждой силы есть точка соединения. Крючок. Способ сказать этой силе, насколько она на вас влияет. Для электромагнитной силы это электрический заряд. Для гравитации это масса. Для сильной ядерной силы физики должны были придумать новый крюк. Способ для кварка соединиться с другим кварком через эту силу. И физики выбрали слово цвет.
Таким образом, если вы или частица, которую вы знаете, обладает этим новым свойством, называемым цветом, тогда вы почувствуете сильную ядерную силу. Ваш цвет может быть красным, зеленым или синим (сбивает с толку также анти-красный, анти-зеленый и синий, потому что, конечно, жизнь не так проста). Чтобы построить частицу, подобную протону, все цвета кварков должны складываться в белый. Таким образом, одному кварку назначается красный цвет, другому - зеленый, а последнему синий. Конкретное назначение цвета на самом деле не имеет значения (и, фактически, отдельные кварки постоянно меняют цвет), важно то, что все они складываются в белый и что сильная сила может выполнять свою работу.
Это новое свойство цвета позволяет кваркам разделять состояние внутри протона. С цветом нет двух одинаковых кварков - они теперь имеют разные цвета.
Супер сила
Представьте, что вы взяли два маленьких плоскогубца и схватили два кварка в протоне. Вы тренируетесь, так что вы можете преодолеть силу сильных ядерных сил, удерживающих их вместе.
Но вот что-то странное в сильной силе: она не уменьшается с расстоянием. Другие силы, такие как гравитация и электромагнетизм, делают. Но сильная сила остается такой же сильной, как и всегда, независимо от того, как далеко друг от друга находятся эти кварки.
Поэтому, когда вы дергаете эти кварки, вы должны продолжать добавлять все больше и больше энергии для поддержания разделения. В конечном итоге вы добавляете столько энергии, что, эквивалентная массе энергии, все это, новые частицы появляются в вакууме между кварками. Новые частицы, такие как ... другие кварки.
Эти новые кварки почти сразу же находят своих недавно разлученных друзей и связываются вместе, бросая всю вашу тяжелую работу и потливость в одной вспышке энергии, прежде чем расстояние между ними становится даже заметным. К тому времени, когда вы думаете, что разделили кварки, они уже нашли новых для привязки. Этот эффект известен как ограничение кварка: сильная сила на самом деле настолько сильна, что мешает нам видеть кварка изолированно.
Обидно, что мы никогда не увидим его цвет.
Узнайте больше, слушая эпизод "Что делает сильную силу такой сильной?" в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Kayja N. и Ter B. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.
- Физики только что обнаружили очень странную частицу, которая вовсе не является частицей
- Существует больше, чем одна реальность (в квантовой физике)
- Почему физики интересуются таинственными причудами самого здоровенного кварка
