Что делает Strong Force такой особенной?

Обычный протон или нейтрон (на переднем плане) состоит из трех кварков, связанных вместе глюонами, носителями цветовой силы. Выше критической температуры протоны, нейтроны и другие формы адронной материи плавятся в горячий плотный суп из свободных кварков и глюонов (фон), кварк-глюонную плазму.

Протон (передний план) состоит из трех кварков, каждый из которых обладает уникальным свойством, называемым цветом. Их крепко удерживает мощная ядерная сила. (Изображение предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Беркли)





Пол М. Саттер астрофизик в Государственный университет Огайо , хозяин Спросите космонавта а также Космическое радио , и автор Ваше место во Вселенной . Саттер написал эту статью для Голоса экспертов guesswhozoo.com: редакторы и выводы .

У всех четырех известных сил природы есть свое уникальное место. Гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное, сильное ядерное: каждое из них управляет какой-то маленькой областью нашей жизни. В то время как в нашем повседневном опыте преобладают гравитация Земли и электромагнетизм света и магнитов на холодильник, двойные ядерные силы также играют ключевую роль - только в очень, очень крошечных масштабах.

Насколько крошечный? Представьте, что вы взлетаете на воздух и становитесь размером с Солнечную систему. Ваши руки плывут по Облако Оорта Сама по себе планеты уютно устроились над вашим пупком. Вы настолько велики, что электрические сигналы проходят через вашу нервную систему недели или даже месяцы, делая даже самые простые жесты мучительно медленными.



Это разница между вашим нынешним размером (примерно пара метров) и 10-15 метрами.

Связанный: Что такое сильная сила ?

Теперь запустите его в обратном порядке. Представьте себе масштаб настолько мал, что ваше нынешнее тело кажется огромным, как Солнечная система. Шкала, в которой ваши движения ускоряются в самом медленном темпе. Этот невероятно крошечный масштаб и есть фемтометр: 10 ^ -15 метров. Это масштаб атомного ядра.



В протон

Отсюда возникает соблазн думать о протоне как о единой частице. Твердая оболочка с положительным зарядом и массой, способная подпрыгивать и опрокидываться так же легко, как бильярдный шар. Но на самом деле протон состоит из трех более мелких частиц. Эти частицы носят восхитительно причудливое название кварки. Всего в природе существует шесть видов кварков, но для нашего внимательного изучения протона нам нужно уделить внимание только двум из них, названным верхним и нижним кварками.

Как я уже сказал, протон - это тройка кварков: два верхних кварка и один нижний кварк. Эти кварки объединяются в одну команду, и эту связанную команду мы называем протоном.

Только вот в этом нет никакого смысла.



Два верхних кварка имеют одинаковый электрический заряд (потому что это частицы одного и того же типа), поэтому они должны абсолютно ненавидеть друг друга. Как они остаются так плотно приклеенными?

Более того, из квантовой механики мы знаем, что два кварка не могут находиться в одном и том же состоянии - нельзя, чтобы два кварка были связаны таким образом. Этим двум верхним кваркам нельзя позволять так сосуществовать вместе. И все же они не только терпят друг друга, но и, кажется, действительно наслаждаются компанией!

В чем дело?

Другой цвет

В 1950-х и 60-х годах физики начали понимать, что протон не является фундаментальным элементом - его можно разбить на более мелкие части. Поэтому они провели кучу экспериментов и разработали множество теорий, чтобы расколоть этот конкретный орешек. И они сразу же столкнулись с а) существованием кварков и б) загадочными загадками, описанными выше.

Что-то держало эти три кварка вместе. Что-то действительно очень сильное. Новая сила природы.

Сильная сила.

Предполагаемая тогда сильная сила решила проблемы сосуществования кварков с помощью простой грубой силы. О, вам не нравится быть вместе, потому что вы не можете находиться в одном состоянии? Что ж, очень плохо, сильная сила все равно заставит вас это сделать, и это 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 сильного ядерного взаимодействия физикам пришлось придумать новый крючок. Способ, которым кварк соединяется с другим кварком через эту силу. И физики выбрали слово цвет.

Связанный: Физики только что раскрыли тайну 35-летней давности, скрытую внутри атомных ядер

Таким образом, если вы или известная вам частица имеет это новое свойство, называемое цветом, вы почувствуете сильную ядерную силу. Ваш цвет может быть красным, зеленым или синим (что сбивает с толку, есть также анти-красный, анти-зеленый и анти-синий, потому что, конечно, жизнь не так проста). Чтобы построить частицу, подобную протону, все цвета кварков должны в сумме составить белый. Таким образом, одному кварку присваивается 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 в сумме дают белый цвет и что сильное взаимодействие может делать свою работу.

Это новое свойство цвета позволяет кваркам разделять состояние внутри протона. Что касается цвета, нет двух совершенно одинаковых кварков - теперь они имеют разные цвета.

супер сила

Представьте, что вы берете два маленьких плоскогубца и захватываете два кварка в протоне. Вы тренируетесь, так что вы можете преодолеть силу сильного ядерного взаимодействия, удерживающего их вместе.

Но вот что-то странное в этой сильной силе: она не уменьшается с расстоянием. Другие силы, такие как гравитация и электромагнетизм, действуют. Но сильное взаимодействие остается таким же сильным, как и всегда, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся кварки.

Таким образом, по мере того, как вы дергаете эти кварки, вы должны добавлять все больше и больше энергии, чтобы поддерживать разделение. В конце концов вы добавляете столько энергии, что, поскольку энергия эквивалентна массе и тому подобное, в вакууме между кварками появляются новые частицы. Новые частицы, такие как… другие кварки.

Эти новые кварки почти сразу находят своих недавно разлученных друзей и связываются вместе, отбрасывая всю вашу тяжелую работу и пот в единственной вспышке энергии, прежде чем расстояние между ними станет даже заметным. К тому времени, когда вы подумаете, что разделили кварки, они уже нашли новые, с которыми можно было бы связываться. Этот эффект известен как удержание кварка: сильное взаимодействие настолько чертовски велико, что не позволяет нам когда-либо увидеть кварк изолированно.

Жаль, что мы никогда не увидим его цвета.

Узнайте больше, послушав серию «Что делает сильную силу такой сильной?» в подкасте 'Спроси космонавта', доступном на iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com . Спасибо Kayja N. и Ter B. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter .

  • Физики только что обнаружили очень странную частицу, которая вовсе не является частицей
  • Существует более чем одна реальность (в квантовой физике)
  • Почему физиков интересуют загадочные причуды огромнейшего кварка

Подписывайтесь на нас в Твиттере @Spacedotcom и дальше Facebook .