Протон (передній план) складається з трьох кварків, кожен з яких має унікальну властивість, яку називають кольором. Їх міцно тримає сильна ядерна сила.
(Зображення: © Національна лабораторія Лоуренса Берклі)
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті. Саттер сприяв цій статті Голоси експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Усі чотири відомі сили природи мають своє унікальне місце. Гравітація, електромагнетизм, слабке ядерне, сильне ядерне: кожен з них керує якоюсь маленькою областю нашого життя. Хоча в нашому повсякденному досвіді переважають гравітація Землі та електромагнетизм світла та магнітів на холодильник, ядерні сили-близнюки теж відіграють ключову роль - просто у дуже-дуже крихітних масштабах.
Як крихітні? Уявіть, що ви надуваєте повітря, щоб набувати розміри Сонячної системи. Ваші руки плавають через Хмара Оорта Самі планети тримаються над пупок. Ви настільки великі, що електричним сигналам потрібні тижні або навіть місяці, щоб здійснити свою подорож по вашій нервовій системі, роблячи навіть найпростіші жести болісно повільними.
Це різниця між вашим поточним розміром (приблизно в пару метрів) і 10 ^ 15 метрів.
Тепер запустіть її в зворотному порядку. Уявіть собі масштаб настільки малий, що ваше поточне тіло відчуває себе таким же величезним, як Сонячна система. Шкала, за якою ваші рухи рухаються по найбільш повільних кроках. Ця неймовірно крихітна шкала - фемтометр: 10 ^ -15 метрів. Це масштаб атомного ядра.
У протон
Зрештою сюди спокусливо вважати протон про єдину частинку. Тверда оболонка позитивного заряду і маси, здатна підстрибувати і стукати навколо так само легко, як більярд. Але насправді протон складається з трьох менших частинок. Ці частинки мають чудово вигадливу назву кварків. Всього в природі існує шість видів кварків, але для ретельного вивчення протона нам потрібно дбати лише про два з них, названі кварками вгору та вниз.
Як я вже сказав, протон - це трійка кварків: два кварки та один кварк. Ці кварки поєднуються як команда, і ця пов'язана команда - це те, що ми називаємо протоном.
За винятком, це не повинно мати сенсу.
Два кварки мають однаковий електричний заряд (тому що вони абсолютно однакові частинки), тому вони повинні абсолютно ненавидіти один одного. Як вони залишаються настільки щільно склеєними?
Більше того, з квантової механіки ми знаємо, що два кварки не можуть поділити такий самий стан - у вас не може бути двох однакових зв'язаних між собою. Ці два кварки не повинні дозволяти співіснувати так. І все ж вони не тільки терплять один одного, але, здається, справді насолоджуються компанією!
Що відбувається?
Інший колір
У 1950-60-х роках фізики почали розуміти, що протон не є основним - його можна розбити на менші частини. Тому вони зробили купу експериментів і розробили купу теорій, щоб зламати саме цей горіх. І вони негайно натрапили на: а) існування кварків і б) спантеличені головоломки вище.
Щось тримало ці три кварки разом. Щось справді, дуже сильне. Нова сила природи.
Сильна сила.
Тоді гіпотезована сильна сила вирішувала проблеми співіснуючих кварків простою грубою силою. О, вам не подобається бути разом, тому що ви не можете поділити одну і ту ж державу? Ну, дуже погано, сильна сила змусить вас це зробити все одно, і це допоможе вирішити цю проблему.
І кожна сила має точку зв’язку. Гачок. Спосіб сказати цій силі, наскільки ти на неї впливаєш. Для електромагнітної сили - це електричний заряд. Для сили тяжіння - це маса. Для сильної ядерної сили фізикам довелося придумати новий гачок. Спосіб з'єднання кварку з іншим кварком за допомогою цієї сили. І фізики обрали слово колір.
Таким чином, якщо ви або частинка, яку ви знаєте, має цю нову властивість, яку називають кольором, ви відчуєте сильну ядерну силу. Ваш колір може бути червоним, зеленим або блакитним (заплутано є також анти-червоний, анти-зелений і анти-блакитний, адже, звичайно, життя не таке просте). Щоб побудувати частинку, як протон, всі кольори кварків повинні додати до білого. Таким чином, один кварк присвоюється червоному, іншому призначений зелений, а останній призначений для синього. Конкретне призначення кольору насправді не має значення (і, власне, окремі кварки постійно змінюють колір), головне, що всі вони додають до білого і що сильна сила може зробити свою роботу.
Ця нова властивість кольору - це те, що дозволяє кварам ділитися станом всередині протона. За кольором жоден два кварки абсолютно не відрізняються - тепер вони мають різні кольори.
Супер міцність
Уявіть, як взяти дві маленькі плоскогубці та схопити два кварки у протоні. Ви працюєте, тож ви зможете подолати силу сильної ядерної сили, яка тримає їх разом.
Але ось щось дивне в сильній силі: воно не зменшується з дистанцією. Інші сили, як гравітація та електромагнетизм, роблять. Але сильна сила залишається настільки ж сильною, як і завжди, незалежно від того, наскільки далеко між цими кварками.
Тож, коли ви буксируєте ці квартали, вам доведеться постійно додавати більше і більше енергії, щоб підтримувати розлуку. Ви зрештою додаєте стільки енергії, що, енергія еквівалентна масі, і все інше, нові частинки з'являються у вакуумі між кварками. Нові частинки, як… інші кварки.
Ці нові кварки майже відразу знаходять своїх нещодавно розлучених друзів і зв’язуються разом, кидаючи всю свою наполегливу працю і спітнівши в одному спалаху енергії, перш ніж відстань між ними стане навіть помітною. На той час, коли ви думаєте, що ви розділили кварки, вони вже знайшли нові, з якими можна зв’язатись. Цей ефект відомий як обмеження кварків: сильна сила насправді настільки сильна, що заважає нам коли-небудь бачити кварк у відриві.
Прикро, що ми ніколи не побачимо, який це її колір.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "Що робить сильну силу такою сильною?" у подкасті Ask A Spaceman, доступному в iTunes та в Інтернеті за адресою http://www.askaspaceman.com. Дякую Кайя Н. та Тер Б. за запитання, які спричинили цей твір! Задайте власне запитання у Twitter за допомогою #AskASpaceman або, дотримуючись Пола @PaulMattSutter та facebook.com/PaulMattSutter.
- Фізики просто виявили дуже дивну частинку, яка зовсім не є частинкою
- Існує більше ніж одна реальність (у квантовій фізиці)
- Чому фізиків цікавлять загадкові химерності найквартирнішого кварку
