Ένα πρωτόνιο (πρώτο πλάνο) αποτελείται από τρία κουάρκ, το καθένα με μια μοναδική ιδιότητα που ονομάζεται χρώμα. Κρατούνται σφιχτά από την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
(Εικόνα: © Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley)
Πολ Μ. Σάτερ είναι αστροφυσικός στο Το Πανεπιστήμιο του Οχάιο, οικοδεσπότης του Ρωτήστε έναν Spaceman και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η θέση σας στο Σύμπαν. Ο Sutter συνέβαλε σε αυτό το άρθρο Οι ειδικές φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Και οι τέσσερις γνωστές δυνάμεις της φύσης έχουν τη δική τους μοναδική θέση. Βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός, αδύναμος πυρηνικός, ισχυρός πυρηνικός: Καθένας διέπει κάποιο μικρό πεδίο της ζωής μας. Ενώ οι καθημερινές μας εμπειρίες κυριαρχούνται από τη βαρύτητα της Γης και τον ηλεκτρομαγνητισμό των μαγνητών φωτός και ψυγείου, οι δίδυμες πυρηνικές δυνάμεις διαδραματίζουν επίσης βασικούς ρόλους - μόνο σε πολύ, πολύ μικρές κλίμακες.
Πόσο μικροσκοπικό; Φανταστείτε τον εαυτό σας να φουσκώνει για να γίνει το μέγεθος του ηλιακού συστήματος. Τα χέρια σας κολυμπούν μέσω του Oort Cloud οι ίδιοι, οι πλανήτες φωλιάζουν πάνω από το κοιλιά σας. Είστε τόσο μεγάλοι που τα ηλεκτρικά σήματα χρειάζονται εβδομάδες ή και μήνες για να κάνουν το ταξίδι τους μέσω του νευρικού σας συστήματος, κάνοντας ακόμη και τις πιο απλές χειρονομίες που πονάει αργά.
Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ του τρέχοντος μεγέθους σας (περίπου δύο μέτρων) και των 10 ^ 15 μέτρων.
Τώρα, εκτελέστε το αντίστροφα. Φανταστείτε μια τόσο μικρή κλίμακα που το σημερινό σώμα σας αισθάνεται τόσο μεγάλο όσο το ηλιακό σύστημα. Μια κλίμακα όπου οι κινήσεις σας συνεχίζονται με τους πιο αργούς ρυθμούς. Αυτή η απίστευτα μικρή κλίμακα είναι το φόμετρο: 10 ^ -15 μέτρα. Είναι η κλίμακα του ατομικού πυρήνα.
Στο πρωτόνιο
Από εδώ και πέρα, είναι δελεαστικό να σκεφτούμε το πρωτόνιο ως ένα μόνο σωματίδιο. Ένα σκληρό κέλυφος θετικής φόρτισης και μάζας, ικανό να αναπηδά και να χτυπάει τόσο εύκολα όσο μια μπάλα μπιλιάρδου. Στην πραγματικότητα, ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία μικρότερα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια έχουν το ευχάριστα περίεργο όνομα των κουάρκ. Υπάρχουν συνολικά έξι είδη κουάρκ στη φύση, αλλά για τη στενή μας εξέταση του πρωτονίου, χρειάζεται μόνο να νοιαζόμαστε για δύο από αυτά, που ονομάζονται τα πάνω και κάτω κουάρκ.
Όπως είπα, ένα πρωτόνιο είναι ένα τριπλό κουάρκ: δύο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ. Αυτά τα κουάρκ συνδέονται μαζί ως ομάδα, και αυτή η δεσμευμένη ομάδα είναι αυτό που ονομάζουμε πρωτόνιο.
Εκτός, αυτό δεν πρέπει να έχει νόημα.
Τα δύο επάνω κουάρκ έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο (επειδή είναι ακριβώς το ίδιο είδος σωματιδίων), οπότε πρέπει να μισούν ο ένας τον άλλον. Πώς μένουν τόσο σφιχτά κολλημένα;
Και επιπλέον, γνωρίζουμε από την κβαντική μηχανική ότι δύο κουάρκ δεν μπορούν να μοιραστούν την ίδια ακριβώς κατάσταση - δεν μπορείτε να συνδέσετε δύο του ίδιου είδους μαζί έτσι. Αυτά τα δύο πάνω κουάρκ δεν πρέπει να επιτρέπεται να συνυπάρχουν μαζί έτσι. Και όμως όχι μόνο ανέχονται ο ένας τον άλλον, αλλά φαίνεται να απολαμβάνουν πραγματικά την παρέα!
Τι συμβαίνει?
Ένα διαφορετικό χρώμα
Στη δεκαετία του 1950 και του '60, οι φυσικοί άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι το πρωτόνιο δεν είναι θεμελιώδες - μπορεί να χωριστεί σε μικρότερα μέρη. Έτσι έκαναν πολλά πειράματα και ανέπτυξαν μια δέσμη θεωριών για να σπάσουν αυτό το συγκεκριμένο καρύδι. Και αμέσως συνάντησαν α) την ύπαρξη κουάρκ και β) τα αινιγματικά αινίγματα παραπάνω.
Κάτι κράτησε αυτά τα τρία κουάρκ μαζί. Κάτι πραγματικά, πολύ δυνατό. Μια νέα δύναμη της φύσης.
Η ισχυρή δύναμη.
Η τότε υποθετική ισχυρή δύναμη έλυσε τα προβλήματα των συνυπάρχοντων κουάρκ με απλή ωμή δύναμη. Ω, δεν σου αρέσει να είσαι μαζί γιατί δεν μπορείς να μοιραστείς την ίδια κατάσταση; Λοιπόν, πολύ άσχημο, η ισχυρή δύναμη θα σας κάνει να το κάνετε ούτως ή άλλως, και θα παρέχει μια λύση γύρω από αυτό το πρόβλημα.
Και κάθε δύναμη έχει ένα σημείο σύνδεσης. Ένα γάντζο. Ένας τρόπος να πεις αυτή τη δύναμη πόσο επηρεάζεσαι από αυτήν. Για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι το ηλεκτρικό φορτίο. Για τη βαρύτητα είναι η μάζα. Για την ισχυρή πυρηνική δύναμη, οι φυσικοί έπρεπε να βρουν ένα νέο άγκιστρο. Ένας τρόπος για να συνδεθεί ένα κουάρκ με ένα άλλο κουάρκ μέσω αυτής της δύναμης. Και οι φυσικοί επέλεξαν τη λέξη χρώμα.
Έτσι, εάν εσείς ή ένα σωματίδιο που γνωρίζετε έχετε αυτή τη νέα ιδιότητα που ονομάζεται χρώμα, τότε θα νιώσετε την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Το χρώμα σας μπορεί να είναι κόκκινο, πράσινο ή μπλε (σύγχυση υπάρχει επίσης αντι-κόκκινο, αντι-πράσινο και αντι-μπλε, γιατί φυσικά η ζωή δεν είναι τόσο απλή). Για να χτίσετε ένα σωματίδιο σαν πρωτόνιο, όλα τα χρώματα των κουάρκ πρέπει να προστεθούν στο λευκό. Έτσι, ένα κουάρκ ανατίθεται να είναι κόκκινο, το άλλο να είναι πράσινο και το τελευταίο να είναι μπλε. Η συγκεκριμένη εκχώρηση χρώματος δεν έχει σημασία (και, στην πραγματικότητα, τα μεμονωμένα κουάρκ αλλάζουν συνεχώς χρώμα), αυτό που έχει σημασία είναι ότι όλα προσθέτουν στο λευκό και ότι η ισχυρή δύναμη μπορεί να κάνει τη δουλειά της.
Αυτή η νέα ιδιότητα χρώματος είναι αυτό που επιτρέπει στα κουάρκ να μοιράζονται μια κατάσταση μέσα σε ένα πρωτόνιο. Με το χρώμα, κανένα από τα δύο κουάρκ δεν είναι ακριβώς το ίδιο - τώρα έχουν διαφορετικά χρώματα.
Σούπερ δύναμη
Φανταστείτε να παίρνετε δύο μικρές πένσες και να αρπάζετε δύο από τα κουάρκ στο πρωτόνιο. Ασκηθείτε, ώστε να μπορείτε να ξεπεράσετε τη δύναμη της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που τους κρατάει μαζί
Αλλά εδώ είναι κάτι περίεργο για την ισχυρή δύναμη: Δεν μειώνεται με την απόσταση. Άλλες δυνάμεις, όπως η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός, το κάνουν. Αλλά η ισχυρή δύναμη παραμένει εξίσου δυνατή όσο πάντα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι αυτά τα κουάρκ.
Έτσι, καθώς τραβάτε αυτά τα κουάρκ, πρέπει να συνεχίσετε να προσθέτετε όλο και περισσότερη ενέργεια για να διατηρήσετε τον διαχωρισμό. Τελικά προσθέτετε τόση ενέργεια που, ενέργεια ισοδύναμη με τη μάζα και όλα αυτά, νέα σωματίδια εμφανίζονται στο κενό μεταξύ των κουάρκ. Νέα σωματίδια όπως… άλλα κουάρκ.
Αυτά τα νέα κουάρκ βρίσκουν σχεδόν αμέσως τους πρόσφατα διαχωρισμένους φίλους τους και συνδέονται μεταξύ τους, πετώντας όλη τη σκληρή δουλειά σας και τον ιδρώτα μακριά σε ένα μόνο λάμψη ενέργειας προτού η απόσταση μεταξύ τους είναι ακόμη αισθητή. Μέχρι τη στιγμή που νομίζετε ότι έχετε διαχωρίσει τα κουάρκ, έχουν ήδη βρει καινούργια. Αυτό το αποτέλεσμα είναι γνωστό ως περιορισμός κουάρκ: Η ισχυρή δύναμη είναι στην πραγματικότητα τόσο ισχυρή που μας εμποδίζει να δούμε ποτέ ένα κουάρκ σε απομόνωση.
Είναι κρίμα που δεν θα δούμε ποτέ τι είναι το χρώμα του.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Τι κάνει την ισχυρή δύναμη τόσο δυνατή;" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στο iTunes και στον Ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Ευχαριστώ τους Kayja N. και Ter B. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και το facebook.com/PaulMattSutter.
- Οι φυσικοί μόλις εντόπισαν ένα πολύ περίεργο σωματίδιο που δεν είναι καθόλου σωματίδιο
- Υπάρχουν περισσότερες από μία πραγματικότητες (στην Κβαντική Φυσική)
- Γιατί οι φυσικοί ενδιαφέρονται για τα μυστηριώδη ιδιότυπα του πιο βαρύ κουάρκ
