Запаморочливий масив частинок, сил і полів диктує субатомну основу для всього, що ми бачимо.
Пол Саттер - астрофізик Державного університету штату Огайо і головний науковий співробітник наукового центру COSI. Саттер також є ведучим "Запитай космонавта" та "Космічного радіо", а також веде AstroTours по всьому світу. Саттер додав цю статтю до голосів експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Щоб відвідати справді дивну землю, повну дива та таємничості, вам не доведеться пробиратися через чарівний кабінет, їздити на літаючу істоту, яка не повинна мати змогу летіти чи безрозсудно стрибати через портал в інший вимір. Ні, все, що вам потрібно зробити, це зламати прискорювач частинок і дивитися вниз, вниз, вниз.
На субатомному рівні справжня різноманітність і пишність природи повністю демонструється, із запаморочливим набором частинок, сил і полів, що світяться і кружляють, керуючись майже непереборними законами фізики. Але все-таки, а не створюючи хаотичний безлад, усі їх складні взаємодії створюють регулярний, впорядкований з малюнком макроскопічний світ, з яким ми знайомі. [Дивні кварки та муони, о, мій! Розчленовані найдрібніші частинки природи (інфографіка)]
Можна зрозуміти той крихітний світ, поділений на сувору ієрархію, з чіткими лініями між правителями та правителями, між тими, хто зручно сидить у своїх стійких замках, і низькорослими селянами, які насправді виконують роботу. Взаємодія між різними мешканцями встановлюється в камені незмінними правилами: для кожного є місце, і у кожного є місце.
Приходьте, завітаємо.
Добре бути королем
У центрі всього - наймасовіші стійкі частинки: кварки вгору та вниз. Їх довговічність дозволяє їм поєднуватися в майже неприступні фортеці: нуклонові замки, відомі як протони та нейтрони. Але не самі кварки виконують роботу по підтримці цих нуклеонічних цитадель. Дійсно, сумарна маса всіх кварків у нуклоні набагато менша, ніж маса протона чи нейтрона.
Натомість кварки вгору та вниз пронизані особливою здатністю, невідомою іншим частинкам у царині. Вони можуть відчути сильну ядерну силу. Це, безумовно, найпотужніша сила, яка скріплює кварки так інтенсивно, що жодного з них не можна побачити ізольовано. Ця взаємодія формує небачений хребет нашого макроскопічного світу. Ми приймаємо протони і нейтрони як належне - ось так міцно вони будують свої замки. І їх маси здебільшого пояснюються міцністю їхніх внутрішніх ядерних зв'язків, а не окремими кварками.
Сильна ядерна сила не зупиняється на рівні протонів і нейтронів. Клей, який зв’язує кварки, надаючи їм панування над усіма іншими частинками, настільки домінуючий, що він може зібрати кілька таких замків разом у міцну фортецю, відому як атомне ядро. Незважаючи на те, що ця структура не є неприступною, як протони та самі нейтрони, перекидання ядра все ще потребує величезних зусиль.
Тим не менш, при всій їхній домінуючій силі, досяжність затискачів кварків обмежена лише їхнім замком та довколишнім оточенням. Це тому, що сильна сила при всій силі сильно обмежена в дальності. Саме це визначає розміри фортець, замків і зберігає те, що ми ідентифікуємо як нуклони нашого світу. [7 Дивних фактів про кварків]
Обробка полів
Поза межами обмеженого діапазону, кварки перевіряють свої домени і спілкуються один з одним через королівські месенджери - фотони. Ці стрімкі посланці стрибають з місця на місце у Всесвіті, ніколи не втомлюючись, переносячи електромагнітну силу - електрику, магнетизм і навіть світло - на будь-яку частинку, яка має електричний заряд. Цей вплив поширюється на весь космос, хоча, звичайно, чим далі ви від джерела, тим слабший ефект.
Це електромагнітне зв’язування підтримує підлеглі субатомного світу у черзі, і, поки кварки проводять свої дні на холостому ходу у відносному комфорті їх захищеного та замкнутого замка, зберігаються, затоплені "селяни" - електрони - роблять всю роботу, створюючи багаті зміни можливі хімічні реакції. Це правильно - це бідні, невідомі електрони, що відводять їх у власників кварків. Зв'язані до ядра електромагнетизмом, але зазвичай перешкоджають фактичному введенню за правилами квантової механіки - електрони обмінюються між атомами, даючи нам хімію, яка робить можливим майже все про наше повсякденне життя.
Правлячі кварки з радістю торгуватимуть, крадуть і позичатимуть покірного електрона з сусіднього домену, формуючи свої рухи з важкими руками з фотонів - не піклуючись про їхні окремі сподівання, мрії чи амбіції (вільно тече по всесвіту, обмотується навколо магнітного поля тощо).
Ховається в тіні
Але не всі частинки у Всесвіті тримаються під великим пальцем деспотичних кварків. Деякі можуть вільно протікати по всесвіту, не відчуваючи сильної сили і безпечно ігноруючи похмурі відблиски від будь-яких фотонів, що проходять: нейтрино. Ці примарні частинки можуть ховатися в просторі зору, настільки ширячі, що десятиліттями ми вважали, що вони цілком безмасштабні.
Нейтрино буває трьох типів - електрон-нейтрино, мюон-нейтрино і тау-нейтрино, але вони настільки добре замасковані, що ви ніколи не знаєте, який саме ви переглядаєте. Подорожуючи, вони можуть проїхати маски, які вони носять, перемикаючи свою особу легкості досвідченого шпигуна. Їх маски визначають, як вони (зрідка) взаємодіють з рештою частинок у Всесвіті: Електрон-нейтрино братиме участь лише в реакціях, що стосуються електронів, наприклад.
Але через пустотливий характер нейтрино, процес, що генерує певний аромат цієї частинки, не завжди може бути запущений у зворотному порядку, щоб знову зловити оригінальну різноманітність - це змінені ідентичності.
І все-таки, незважаючи на всі їхні хитрощі та загрозу, нейтрино не застраховано від впливу доменів кварків. Але для того, щоб наступити такий ефект, потрібні спеціальні сили. Експертні частинки, які називаються W і Z бозонами, носіями слабкої ядерної сили, є єдиними, хто здатний спілкуватися з нейтралітами-розпусниками. У деяких випадках бозонам вдається перетворити нейтрино в більш сумісні істоти, як електрони.
Вже тоді це щасливий шанс: більшість часу підлі нейтрино відпадають від безшовних.
Але набір майстерності тих W і Z бозонів, таємних бійців чорного типу з світу частинок, поширюється далі, ніж просто нечасті зустрічі з нейтрино. Вони також мають майже ексклюзивний доступ до внутрішньої святині нуклонної фортеці і можуть змінювати один вид кварків на інший. Якщо нейтрон вирветься з безпеки атомного ядра, ці спеціальні бозони можуть перетворити цю частинку в більш стійкий протон.
Поза Царством
Звичайно, це не дає повної картини субатомного світу. Вся стандартна модель, наш портрет цих крихітних істот та всі їх взаємодії із зайнятими тілами набагато більші та складніші, ніж можуть міститись у кількох абзацах. І хоча Стандартна модель є тріумфом сучасної фізики, що болісно поєднується протягом десятиліть, з вимогливими прогнозами та точними експериментами, це теж є неповною картиною нашого світу.
Для одного, він не включає гравітацію, яка зараз найкраще описується також неповною загальною теорією відносності. Існують також тривалі космологічні питання природи темної матерії та темної енергії, про які традиційна Стандартна модель мовчить (бо ці явища були нещодавно виявлені). Є ще: маса нейтрино, ієрархія сил тощо.
Але, хоча далеко не повний і, можливо, трохи незадовільний у своєму підході на жування гумок та каналів до моделювання фізичного світу, Стандартна модель є надзвичайно корисною. Він може з вражаючою точністю передбачити рухи та рухи цих субатомних розпізнавальників та всі їхні нечесні схеми.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "Хто живе в зоопарку частинок?" у подкасті "Запитати космонавта", доступному в iTunes та в Інтернеті на веб-сайті http://www.askaspaceman.com. Дякуємо Алессандро М., Роджеру, Мартіну Н., Даніелу К. та @PoZokhr за запитання, які призвели до цього твору! Задайте власне запитання у Twitter за допомогою #AskASpaceman або, дотримуючись Пола @PaulMattSutter та facebook.com/PaulMattSutter.
