Головокружительный массив частиц, сил и полей диктует субатомную основу для всего, что мы видим.
Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также является ведущим «Спроси космонавта» и «Космическое радио» и возглавляет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights
Чтобы посетить действительно странную страну, полную чудес и тайн, вам не нужно пробираться через волшебный шкаф, кататься на летающем существе, которое не должно быть способным летать или безрассудно прыгать через портал в другое измерение. Нет, все, что вам нужно сделать, это открыть свой ускоритель частиц и смотреть вниз, вниз, вниз.
На субатомном уровне истинное разнообразие и великолепие природы предстают в полной мере, с головокружительным множеством частиц, сил и полей, все вокруг которых кружатся и кружатся, подчиняясь почти непостижимым законам физики. Тем не менее, каким-то образом, вместо того, чтобы создавать хаотический беспорядок, все их сложные взаимодействия создают регулярный, упорядоченный, шаблонный макроскопический мир, с которым мы знакомы. [Странные кварки и мюоны, о мой! Крошечные частицы природы рассечены (инфографика)]
Можно понять, что этот крошечный мир разделен на строгую иерархию, с четкими границами между правителями и управляемыми, между теми, кто удобно сидит в своих стабильных замках, и низкими крестьянами, которые фактически выполняют свою работу. Взаимодействие между различными обитателями заложено в камне по неизменным правилам: у каждого есть место, и у каждого есть место.
Давай, давай в гости.
Хорошо быть королем
В центре всего этого находятся самые массивные стабильные частицы: вверх и вниз кварки. Их долговечность позволяет им объединяться в почти неприступные крепости: нуклонные замки, известные как протоны и нейтроны. Но не сами кварки выполняют работу по поддержанию этих нуклонных цитаделей. Действительно, объединенная масса всех кварков в нуклоне намного меньше, чем масса протона или нейтрона.
Вместо этого кварки вверх и вниз наделены особой способностью, не известной другим частицам в мире. Они могут чувствовать сильную ядерную силу. Это, безусловно, самая мощная сила, настолько сильно склеивающая кварки, что ни один из них никогда не будет виден изолированно. Это взаимодействие образует невидимую основу нашего макроскопического мира. Мы принимаем протоны и нейтроны как должное - вот как прочно они строят свои стены замка. И их массы в основном связаны с силой их внутренних ядерных связей, а не с отдельными кварками.
Сильная ядерная сила не останавливается на уровне протонов и нейтронов. Клей, который связывает кварки, давая им власть над всеми другими частицами, настолько доминирует, что может собрать несколько таких замков вместе в крепкую крепость, известную как атомное ядро. Хотя эта структура не является неприступной, как сами протоны и нейтроны, свержение ядра все еще требует огромных усилий.
Тем не менее, при всей их властной силе, охват порочных хваток кварков ограничен их конкретным замком и близлежащими окрестностями. Это потому, что сильная сила, несмотря на всю свою силу, сильно ограничена в радиусе действия. Это то, что определяет размер крепостей, замков и хранит их, которые мы определяем как нуклоны нашего мира. [7 Странных Фактов О Кварках]
Труженить поля
За пределами этого ограниченного диапазона кварки контролируют свои домены и общаются друг с другом через королевских посланников - фотонов. Эти посланники с быстрыми ногами прыгают с места на место во вселенной, никогда не утомляясь, неся электромагнитную силу - электричество, магнетизм и даже сам свет - к любой частице, имеющей электрический заряд. Это влияние распространяется на весь космос, хотя, конечно, чем дальше вы находитесь от источника, тем слабее эффект.
Это электромагнитное связывание удерживает подчиненных субатомного мира на одном уровне, и в то время как кварки проводят свои дни на холостом ходу в относительном комфорте своих безопасных и уединенных замковых крепостей, забитые «крестьяне» - электроны - выполняют всю работу по созданию богатых вариаций химических реакций возможно. Это верно - бедные, неблагородные электроны отдают рабов своим хозяевам кварков. Связанный с ядром с помощью электромагнетизма - но обычно не допускаемый к действию по правилам квантовой механики - электроны обмениваются между атомами, давая нам химию, которая делает возможным почти все в нашей повседневной жизни.
Правящие кварки будут счастливо торговать, красть и одалживать скромный электрон из соседнего домена, формируя свои движения с помощью мощных движений от фотонов - не заботясь об их индивидуальных надеждах, мечтах или амбициях (свободно струящихся по вселенной, обвивающихся вокруг магнитного поля). поля и тд).
Скрывается в тени
Но не все частицы во вселенной удерживаются под большим пальцем деспотических кварков. Некоторые могут свободно течь по всей вселенной, не ощущая сильную силу и безопасно игнорируя мрачные блики от любых проходящих фотонов: нейтрино. Эти призрачные частицы могут скрывать себя на виду, настолько шипучие, что на протяжении десятилетий мы думали, что они совершенно безмассовые.
Нейтрино бывают трех типов: электрон-нейтрино, мюон-нейтрино и тау-нейтрино, но они настолько замаскированы, что вы никогда не знаете, какой именно вы просматриваете. Путешествуя, они могут циклически проходить через маски, которые они носят, изменяя свою личность с легкостью опытного шпиона. Их маски определяют, как они (иногда) взаимодействуют с остальными частицами во вселенной: электрон-нейтрино будет участвовать, например, только в реакциях с участием электронов.
Но из-за озорной природы нейтрино процесс, который порождает особый вкус этой частицы, не всегда может быть запущен в обратном порядке, чтобы снова поймать оригинальный сорт - это поменялись идентичности.
Тем не менее, несмотря на все их хитрости и уловки, нейтрино не защищены от влияния доменов кварков. Но для такого эффекта необходимы специальные силы. Экспертные частицы, называемые W и Z-бозонами, носителями слабой ядерной силы, являются единственными, способными связываться с мошенническими нейтрино. В некоторых случаях бозонам удается превратить нейтрино в более податливых существ, таких как электроны.
Даже тогда это удачный шанс: в большинстве случаев подлый нейтрино уходит безнаказанно.
Но набор навыков этих W и Z-бозонов, секретных бойцов блэксопов в мире частиц, простирается дальше, чем просто нечастая встреча нейтрино. Они также имеют почти исключительный доступ к внутреннему святилищу нуклонной крепости и могут превращать один вид кварка в другой. Если нейтрон выйдет из безопасности атомного ядра, эти специальные бозоны могут превратить эту частицу в более стабильный протон.
Вне Царства
Конечно, это не дает полной картины субатомного мира. Вся Стандартная Модель, наш портрет этих крошечных существ и все их взаимодействия с занятым телом намного больше и сложнее, чем можно описать в нескольких параграфах. И хотя Стандартная Модель - это триумф современной физики, болезненно сшитый в течение десятилетий, с точными предсказаниями и точными экспериментами, она также является неполной картиной нашего мира.
С одной стороны, это не включает гравитацию, которая сейчас лучше всего описывается также неполной общей теорией относительности. Существуют также затянувшиеся космологические вопросы о природе темной материи и темной энергии, о которых традиционная стандартная модель молчит (поскольку эти явления были обнаружены только недавно). Там больше: масса нейтрино, иерархия сил и так далее.
Но хотя это далеко не полный и, возможно, немного неудовлетворительный подход к моделированию физического мира с помощью жевательной резинки и клейкой ленты, Стандартная модель невероятно полезна. Он может с поразительной точностью предсказать движения и движения этих субатомных обитателей и всю их гнусную интригу.
Узнайте больше, слушая эпизод "Кто живет в зоопарке частиц?" в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Алессандро М., Роджеру, Мартину Н., Даниэлю С. и @PoZokhr за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.
