Un proton (prim-plan) este format din trei quark-uri, fiecare cu o proprietate unică numită culoare. Sunt ținuți strâns de forța nucleară puternică.
(Imagine: © Lawrence Berkeley Laboratorul Național)
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autorul Locul tău în Univers. Sutter a contribuit cu acest articol Vocile experților Space.com: Op-Ed și Insights.
Toate cele patru forțe cunoscute ale naturii își au propriul loc unic. Gravitate, electromagnetism, nucleare slabă, nucleară puternică: fiecare care guvernează o mică parte din viața noastră. În timp ce experiențele noastre cotidiene sunt dominate de gravitatea Pământului și de electromagnetismul magneților de lumină și frigider, forțele nucleare gemene joacă, de asemenea, roluri cheie - la scări foarte mici.
Cât de mic? Imaginați-vă că balonați pentru a deveni dimensiunea sistemului solar. Mâinile tale înoată prin Nor Oort în sine, planetele se cuibăresc deasupra butonului tău. Ești atât de mare încât semnalele electrice necesită săptămâni sau chiar luni pentru a-și face călătoria prin sistemul nervos, făcând chiar și cele mai simple gesturi să fie lent.
Aceasta este diferența dintre dimensiunea dvs. actuală (aproximativ câțiva metri) și 10 ^ 15 metri.
Acum, executați-l invers. Imaginează-ți o scară atât de mică încât corpul tău actual se simte la fel de vast ca sistemul solar. O scară în care mișcările îți trec cel mai încet. Această scară incredibil de mică este femtometrul: 10 ^ -15 metri. Este scara nucleului atomic.
În proton
De aici până aici, este tentant să gândim protonul ca pe o singură particulă. O coajă dură de sarcină și masă pozitivă, capabilă să sară și să bată în jurul la fel de ușor ca o minge de biliard. Dar, în realitate, un proton este format din trei particule mai mici. Aceste particule au denumirea de quarks încântătoare. Există un număr de șase tipuri de quarkuri în natură, însă pentru examinarea noastră atentă a protonului trebuie să ne interesăm doar de doi dintre ei, numiți quark-uri sus și jos.
Așa cum am spus, un proton este o triplă de quark: doi quark în sus și un quark în jos. Aceste quark se leagă ca o echipă, iar acea echipă legată este ceea ce numim un proton.
Cu excepția, nu ar trebui să aibă niciun sens.
Cele două quark-uri au exact aceeași sarcină electrică (pentru că sunt exact același tip de particule), deci ar trebui să se urăască reciproc. Cum stau atât de strâns lipite?
Și mai mult, știm din mecanica cuantică că două quarkuri nu pot împărtăși aceeași stare - nu puteți avea două de același fel legate între ele. Acele două quark-uri nu ar trebui să li se permită să coexiste astfel. Și totuși, nu numai că se tolerează reciproc, dar par să se bucure cu adevărat de companie!
Ce se întâmplă?
O culoare diferită
În anii ’50 -’60, fizicienii au început să-și dea seama că protonul nu este fundamental - poate fi defalcat în părți mai mici. Așa că au făcut o grămadă de experimente și au dezvoltat o grămadă de teorii pentru a crăpa acea nuci anume. Și s-au confruntat imediat cu a) existența quark-urilor și a b) conundrel-urilor de mai sus.
Ceva ținea acele trei quarkuri împreună. Ceva cu adevărat, cu adevărat puternic. O nouă forță a naturii.
Forța puternică.
Forța puternică, atunci ipotezată, a rezolvat problemele quarkurilor coexistente printr-o simplă forță brută. Oh, nu îți place să fii împreună pentru că nu poți împărtăși același stat? Păcat, forța puternică te va face să te descurci oricum și va oferi o cale de rezolvare a acestei probleme.
Și fiecare forță are un punct de conectare. Un carlig. Un mod de a spune acea forță cât de mult sunteți afectat de ea. Pentru forța electromagnetică este sarcina electrică. Pentru gravitație este masa. Pentru forța nucleară puternică, fizicienii au trebuit să vină cu un nou cârlig. O modalitate prin care un quark se poate conecta la un alt quark prin acea forță. Și fizicienii au ales cuvântul culoare.
Astfel, dacă tu sau o particulă pe care o cunoașteți are această nouă proprietate numită culoare, atunci veți simți forța nucleară puternică. Culoarea dvs. poate fi una de roșu, verde sau albastru (în mod confuz există și anti-roșu, anti-verde și anti-albastru, deoarece desigur viața nu este atât de simplă). Pentru a construi o particulă ca un proton, toate culorile quark-urilor trebuie să se adauge până la alb. Astfel, un quark este alocat pentru a fi roșu, celălalt atribuit a fi verde, iar ultimul atribuit a fi albastru. Alocarea particulară a culorii nu contează de fapt (și, de fapt, quark-urile individuale își schimbă în mod constant culoarea), ceea ce contează este că toate se adaugă la alb și că forța puternică își poate face munca.
Această nouă proprietate a culorii este ceea ce permite quark-urilor să partajeze o stare în interiorul unui proton. Cu culoarea, nu există două quark-uri exact - aceștia au acum culori diferite.
Super putere
Imaginați-vă că luați două cleste mici și apucând două dintre picturile din proton. Lucrezi, astfel încât să poți depăși puterea forței nucleare puternice care le ține împreună.
Dar iată ceva ciudat în privința forței puternice: nu se diminuează cu distanța. Alte forțe, cum ar fi gravitația și electromagnetismul, o fac. Dar forța puternică rămâne la fel de puternică așa cum este întotdeauna, indiferent cât de departe sunt aceste semne.
Așadar, pe măsură ce trageți de acele quark, trebuie să continuați să adăugați din ce în ce mai multă energie pentru a menține separarea. În cele din urmă, adăugați atâta energie încât, energia echivalentă cu masa și toate acestea, noi particule apar în vid între quark. Particule noi ca ... alte quark-uri.
Aceste noi quarkuri își găsesc aproape imediat prietenii nou separați și se leagă, aruncând toată munca grea și transpirând într-o singură lumină de energie, înainte ca distanța dintre ei să fie chiar vizibilă. Până când credeți că ați separat quark-urile, au găsit deja altele noi la care să se lege. Acest efect este cunoscut sub numele de quark: Forța puternică este de fapt atât de periculoasă încât ne împiedică să vedem vreodată un quark în izolare.
Pacat ca nu vom ajunge niciodata sa vedem care este culoarea ei.
Aflați mai multe ascultând episodul "Ce face forța puternică atât de puternică?" pe podcast-ul Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes și pe Web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumim lui Kayja N. și Ter B. pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter.
- Fizicienii au detectat doar o particulă foarte ciudată care nu este deloc o particulă
- Există mai mult decât o realitate (în fizică cuantică)
- De ce fizicienii sunt interesați de misterele misterioase ale Quark-ului cel mai puternic
