Proton (prednji plan) sastoji se od tri kvarka od kojih svaki ima jedinstveno svojstvo zvano boja. Čvrsto ih drže jake nuklearne sile.
(Slika: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru, Sutter je pridonio ovom članku Glasovi stručnjaka Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Sve četiri poznate sile prirode imaju svoje jedinstveno mjesto. Gravitacija, elektromagnetizam, slab nuklearni, jaki nuklearni: Svaki upravlja nekim malim domenom našeg života. Dok u našim svakodnevnim iskustvima dominira gravitacija Zemlje i elektromagnetizam svjetla i magneta za hladnjak, dvostruke nuklearne sile također igraju ključnu ulogu - upravo u vrlo, vrlo sićušnim mjerilima.
Kako sićušno? Zamislite sebe kako balonima postajete veličina Sunčevog sustava. Ruke plivaju kroz Oort Cloud planete se gnijezde iznad vašeg pupak. Toliko ste veliki da električnim signalima trebaju tjedni ili čak mjeseci da prođu kroz vaš živčani sustav, čineći čak i najjednostavnije geste bolno sporom.
To je razlika između vaše trenutne veličine (otprilike nekoliko metara) i 10 ^ 15 metara.
Sada, pokrenite je obrnuto. Zamislite ljestvicu tako malu da se vaše trenutačno tijelo osjeća ogromno koliko i Sunčev sustav. Skala na kojoj se vaši pokreti odvijaju najsporijim tempom. Ova nevjerojatno sitna ljestvica je femtometar: 10 ^ -15 metara. To je razmjera atomskog jezgra.
U proton
Odavde gore, primamljivo je razmišljati o protonu kao o jednoj čestici. Tvrda školjka pozitivnog naboja i mase, sposobna odskakati i kucati okolo jednako lako kao kugla za bilijar. Ali u stvarnosti se proton sastoji od tri manje čestice. Te čestice imaju divno čudan naziv kvarkovi. U prirodi postoji ukupno šest vrsta kvarkova, ali za naše pomno ispitivanje protona, moramo se brinuti samo o dvije vrste, nazvane kvarkovima prema gore i dolje.
Kao što rekoh, proton je triplet kvarkova: dva gore kvarka i jedan kvark. Ti se kvarkovi vežu zajedno kao tim, a ta vezana ekipa je ono što nazivamo protonom.
Osim, to ne bi trebalo imati smisla.
Dva kvarka imaju potpuno isti električni naboj (jer su iste vrste čestica), pa bi se trebali međusobno apsolutno mrziti. Kako ostaju tako čvrsto zalijepljeni?
I štoviše, iz kvantne mehanike znamo da dva kvarka ne mogu dijeliti točno isto stanje - ne možete imati dva ista tipa zajedno povezana. Ta dva kvarka ne bi smjela postojati zajedno tako. Pa ipak, oni ne samo da toleriraju jedni druge, već izgleda da zaista uživaju u društvu!
Što se događa?
Drugačija boja
U pedesetim i šezdesetim godinama fizičari su počeli shvaćati da protoni nisu temeljni - može se razgraditi na manje dijelove. Napravili su gomilu eksperimenata i razvili gomilu teorija kako bi ispucali tu posebnu maticu. I odmah su naišli na: a) postojanje kvarkova i b) zagonetne zagonetke gore.
Nešto je držalo ta tri kvarka zajedno. Nešto stvarno, jako snažno. Nova sila prirode.
Snažna sila.
Tada pretpostavljena jaka sila riješila je probleme koegzistirajućih kvarkova jednostavnom grubom silom. Oh, ne volite biti zajedno jer ne možete dijeliti istu državu? Pa, previše loše, snažna sila će vas natjerati da to ionako napravite i to će osigurati put oko tog problema.
I svaka sila ima vezu. Kuka. Način da se toj sili kaže koliko ste na nju pod utjecajem. Za elektromagnetsku silu to je električni naboj. Za gravitaciju to je masa. Zbog jake nuklearne sile, fizičari su morali smisliti novu udicu. Način da se kvark poveže s drugim kvarkom putem te sile. A fizičari su odabrali riječ boja.
Dakle, ako vi ili čestica za koju znate da ima to novo svojstvo zvano boja, tada ćete osjetiti snažnu nuklearnu silu. Vaša boja može biti jedna od crvene, zelene ili plave (zbunjujuće je da postoji i anti-crvena, anti-zelena i anti-plava, jer naravno život nije tako jednostavan). Da bi nastala čestica poput protona, sve boje kvarkova moraju se dodati u bijelu. Tako se jedan kvark dodjeljuje kao crvenom, a drugom dodijeljenom zelenom, a posljednjem plavom. Posebno dodjeljivanje boje zapravo nije važno (a u stvari, pojedini kvarkovi stalno mijenjaju boju), ono što je važno jest da se svi dodaju bijeloj i da jaka sila može učiniti svoj posao.
Ovo novo svojstvo boje ono je što omogućava kvarkovima da dijele stanje unutar protona. S bojom nisu dva kvarka potpuno ista - sada imaju različite boje.
Super snaga
Zamislite da uzmete dva mala kliješta i zgrabite dva kvarka u protonu. Ako vježbate, uspijevate nadvladati snagu jake nuklearne sile koja ih drži zajedno.
Ali evo nešto čudno u vezi s jakom snagom: ne smanjuje se daljinom. Druge sile, poput gravitacije i elektromagnetizma, čine. Ali jaka sila ostaje jednako snažna kao i uvijek, bez obzira koliko su udaljeni od tih kvarkova.
Dakle, dok se vučete po tim kvarkovima, stalno morate dodavati više i više energije za održavanje razdvajanja. Na kraju dodate toliko energije da, energije jednake masi i sve to, nove čestice se pojavljuju u vakuumu između kvarkova. Nove čestice poput ... drugih kvarkova.
Ovi novi kvarkovi gotovo odmah pronalaze svoje novo razdvojene prijatelje i vežu se zajedno, bacajući sav vaš naporan rad i znojite se u jednom bljesku energije prije nego što se udaljenost između njih primijeti. Do trenutka kad mislite da ste razdvojili kvarkove, već su pronašli nove na koje se mogu vezati. Taj je učinak poznat kao zatočenje kvarka: Jaka sila je zapravo toliko jaka da nas onemogućuje da ikad vidimo kvark izolirano.
Šteta što nikada nećemo vidjeti kakvu je boju.
Saznajte više slušajući epizodu "Što jaku silu čini tako jakom?" na podcastu Ask A Spaceman, dostupan na iTunesu i na webu na http://www.askaspaceman.com. Hvala Kayji N. i Teru B. na pitanjima koja su vodila do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paul @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.
- Fizičari su upravo otkrili vrlo neobičnu česticu koja uopće nije čestica
- Postoji više od jedne stvarnosti (u kvantnoj fizici)
- Zašto su fizičari zainteresirani za misteriozne tišine Heftiest Quarka
