Μια ζαλιστική σειρά σωματιδίων, δυνάμεων και πεδίων υπαγορεύει την υποατομική βάση για όλα όσα βλέπουμε.
Ο Paul Sutter είναι αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και επικεφαλής επιστήμονας στο επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης των "Ask a Spaceman" και "Space Radio" και ηγείται των AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εξειδικευμένες φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Για να επισκεφθείτε μια πραγματικά παράξενη γη γεμάτη θαύμα και μυστήριο, δεν χρειάζεται να περάσετε μέσα από ένα μαγικό ντουλάπι, να οδηγήσετε ένα ιπτάμενο πλάσμα που δεν θα πρέπει να μπορεί να πετάξει ή να πηδήξει απερίσκεπτα μέσω μιας πύλης σε άλλη διάσταση. Όχι, το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να ανοίξετε το γκάζι και να κοιτάξετε προς τα κάτω, κάτω, κάτω.
Σε υποατομικό επίπεδο, η πραγματική ποικιλία και η ομορφιά της φύσης προβάλλονται πλήρως, με μια ζαλιστική σειρά σωματιδίων, δυνάμεων και πεδίων που περιστρέφονται και περιστρέφονται, που διέπονται από σχεδόν αδιάκριτους νόμους της φυσικής. Ωστόσο, κατά κάποιο τρόπο, αντί να δημιουργούν ένα χαοτικό χάος, όλες οι περίπλοκες αλληλεπιδράσεις τους παράγουν τον κανονικό, ομαλό, διαμορφωμένο μακροσκοπικό κόσμο με τον οποίο γνωρίζουμε. [Παράξενα κουάρκ και Muons, Ωχ! Τα πιο μικροσκοπικά σωματίδια που έχουν διαχωριστεί (Infographic)]
Μπορεί κανείς να καταλάβει ότι ο μικροσκοπικός κόσμος διαχωρίζεται σε μια αυστηρή ιεραρχία, με σαφείς γραμμές μεταξύ των ηγεμόνων και των κυβερνώντων, μεταξύ εκείνων που κάθονται άνετα στα σταθερά κάστρα τους και των χαμηλών χωρικών που πραγματικά κάνουν το έργο. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων κατοίκων καθορίζονται από αμετάβλητους κανόνες: Υπάρχει μια θέση για όλους και όλοι έχουν μια θέση.
Έλα, ας το επισκεφτούμε.
Είναι καλό να είσαι βασιλιάς
Στο κέντρο όλων αυτών είναι τα πιο τεράστια σταθερά σωματίδια: τα πάνω και κάτω κουάρκ. Η μακροζωία τους τους επιτρέπει να ενώνονται σε σχεδόν απόρθητα φρούρια: τα νουκλεόνια κάστρα γνωστά ως πρωτόνια και νετρόνια. Αλλά δεν είναι τα ίδια τα κουάρκ που κάνουν το έργο της διατήρησης αυτών των νουκλεονικών ακροπόλεων. Πράγματι, η συνδυασμένη μάζα όλων των κουάρκ σε έναν πυρήνα είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα ενός πρωτονίου ή νετρονίου.
Αντ 'αυτού, τα πάνω και κάτω κουάρκ διαποτίζονται με μια ειδική ικανότητα που δεν είναι γνωστή στα άλλα σωματίδια στη σφαίρα. Μπορούν να αισθανθούν την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτή είναι μακράν η πιο ισχυρή δύναμη, συγκολλώντας τα κουάρκ τόσο έντονα που ποτέ δεν μπορεί να φανεί μεμονωμένα. Αυτή η αλληλεπίδραση σχηματίζει την αόρατη ραχοκοκαλιά του μακροσκοπικού μας κόσμου. Θεωρούμε δεδομένα τα πρωτόνια και τα νετρόνια - με αυτόν τον τρόπο χτίζουν σταθερά τα τείχη του κάστρου. Και οι μάζες τους οφείλονται κυρίως στη δύναμη των εσωτερικών τους πυρηνικών δεσμών, παρά στα ατομικά κουάρκ.
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν σταματά στο επίπεδο των πρωτονίων και των νετρονίων. Η κόλλα που ενώνει τα κουάρκ, δίνοντάς τους κυριαρχία σε όλα τα άλλα σωματίδια, είναι τόσο κυρίαρχη που μπορεί να συλλέξει μερικά από αυτά τα κάστρα μαζί σε ένα ανθεκτικό φρούριο γνωστό ως ατομικός πυρήνας. Αν και αυτή η δομή δεν είναι απόρθητη όπως τα ίδια τα πρωτόνια και τα νετρόνια, η ανατροπή ενός πυρήνα απαιτεί ακόμα τεράστια προσπάθεια.
Ωστόσο, για όλη την κυριαρχική τους δύναμη, η εμβέλεια της λαβής του κουάρκ περιορίζεται στο ιδιαίτερο κάστρο και τα γύρω περίχωρά τους. Αυτό συμβαίνει επειδή η ισχυρή δύναμη, για όλη τη δύναμή της, είναι πολύ περιορισμένη στο εύρος. Αυτό είναι που καθορίζει το μέγεθος των φρουρίων, των κάστρων και των κρατημάτων που αναγνωρίζουμε ως πυρήνες του κόσμου μας. [7 Παράξενα γεγονότα για τα κουάρκ]
Να λερώσετε τα χωράφια
Πέρα από αυτό το περιορισμένο εύρος, τα κουάρκ διατηρούν τους τομείς τους υπό έλεγχο και επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω των βασιλικών αγγελιοφόρων - των φωτονίων. Αυτοί οι απεσταλμένοι με γρήγορο πόδι πηδούν από τόπο σε τόπο στο σύμπαν, χωρίς να κουράζουν, μεταφέροντας την ηλεκτρομαγνητική δύναμη - ηλεκτρισμό, μαγνητισμό και ακόμη και το ίδιο το φως - σε οποιοδήποτε σωματίδιο που έχει ηλεκτρικό φορτίο. Αυτή η επιρροή εκτείνεται σε ολόκληρο τον κόσμο, αν και φυσικά, όσο πιο μακριά είστε από την πηγή, τόσο πιο ασθενές είναι το αποτέλεσμα.
Αυτή η ηλεκτρομαγνητική δέσμευση διατηρεί τα υποσυνείδητα του υποατομικού κόσμου σε ευθυγράμμιση και ενώ τα κουάρκ περνούν τις μέρες τους αδρανείς στη σχετική άνεση του ασφαλούς και απομονωμένου κάστρου τους, οι κατεστραμμένοι "αγρότες" - ηλεκτρόνια - κάνουν όλη τη δουλειά για να κάνουν τις πλούσιες παραλλαγές πιθανές χημικές αντιδράσεις. Αυτό είναι σωστό - είναι τα φτωχά, αμετάβλητα ηλεκτρόνια που δουλεύουν για τους κυρίους τους. Δεσμευμένος στον πυρήνα από τον ηλεκτρομαγνητισμό - αλλά συνήθως εμποδίζεται από την πραγματική είσοδο από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής - τα ηλεκτρόνια ανταλλάσσονται μεταξύ των ατόμων, δίνοντάς μας τη χημεία που καθιστά σχεδόν τα πάντα για την καθημερινή μας ζωή.
Τα κυρίαρχα κουάρκ θα ανταλλάξουν ευτυχώς, θα κλέψουν και θα δανειστούν ένα ταπεινό ηλεκτρόνιο από έναν γειτονικό τομέα, διαμορφώνοντας τις κινήσεις τους με βαριά χέρια από τα φωτόνια - χωρίς να νοιάζονται για τις ατομικές ελπίδες, τα όνειρα ή τις φιλοδοξίες τους (ροή ελεύθερα μέσω του σύμπαντος, περιστροφή γύρω από μαγνητικά πεδία και ούτω καθεξής).
Παραμονεύει στις σκιές
Αλλά δεν κρατούνται όλα τα σωματίδια στο σύμπαν κάτω από τον αντίχειρα των δεσποτικών κουάρκ. Μερικοί μπορούν να ρέουν ελεύθερα σε όλο το σύμπαν, χωρίς να αισθανθούν την ισχυρή δύναμη και να αγνοήσουν με ασφάλεια τα αόριστα έντονα από τα φωτόνια που περνούν: τα νετρίνα. Αυτά τα φανταστικά σωματίδια μπορούν να κρυφτούν σε απλή όραση, τόσο αναβράζοντα που για δεκαετίες πιστεύαμε ότι ήταν εντελώς μαζικά.
Τα νετρίνα διατίθενται σε τρεις τύπους, το ηλεκτρόνιο-νετρίνο, το μιόν-νετρίνο και το tau-νετρίνο, αλλά είναι τόσο καλά μεταμφιεσμένα που ποτέ δεν είστε σίγουροι ποιος βλέπετε. Καθώς ταξιδεύουν, μπορούν να περιηγηθούν στις μάσκες που φορούν, αλλάζοντας την ταυτότητά τους με την ευκολία ενός έμπειρου κατάσκοπου. Οι μάσκες τους καθορίζουν πώς αλληλεπιδρούν (περιστασιακά) με τα υπόλοιπα σωματίδια στο σύμπαν: Ένα ηλεκτρόνιο-νετρίνο θα συμμετέχει μόνο σε αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια, για παράδειγμα.
Αλλά λόγω της άτακτης φύσης των νετρίνων, μια διαδικασία που δημιουργεί μια συγκεκριμένη γεύση αυτού του σωματιδίου δεν μπορεί πάντα να εκτελεστεί αντίστροφα για να πιάσει ξανά την αρχική ποικιλία - αλλάζει ταυτότητα.
Παρόλα αυτά, παρά όλα τα κόλπα και τα υποσυνείδητά τους, τα νετρίνα δεν έχουν ανοσία στην επιρροή από τους τομείς των κουάρκ. Αλλά για να συμβεί αυτό το είδος, απαιτούνται οι ειδικές δυνάμεις. Εμπειρικά σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια W και Z, φορείς της αδύναμης πυρηνικής δύναμης, είναι τα μόνα που μπορούν να επικοινωνήσουν με τα νεύρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα μποζόνια καταφέρνουν να μετατρέψουν τα νετρίνα σε πιο συμμορφούμενα πλάσματα, όπως τα ηλεκτρόνια.
Ακόμα και τότε, είναι μια τυχερή ευκαιρία: Τις περισσότερες φορές, τα ύπουλα νετρίνα απομακρύνονται χωρίς scot.
Όμως, το σετ δεξιοτήτων αυτών των μποζονίων W και Z, οι μυστικοί μαχητές black-ops του κόσμου των σωματιδίων, εκτείνεται πέρα από την σπάνια συνάντηση νετρίνων. Έχουν επίσης σχεδόν αποκλειστική πρόσβαση στο εσωτερικό ιερό του φρουρίου νουκλεονίων και μπορούν να αλλάξουν ένα είδος κουάρκ σε άλλο. Εάν ένα νετρόνιο ξεφύγει από την ασφάλεια ενός ατομικού πυρήνα, αυτά τα ειδικά μποζόνια μπορούν να μετατρέψουν αυτό το σωματίδιο σε ένα πιο σταθερό πρωτόνιο.
Έξω από το βασίλειο
Φυσικά, αυτό δεν δίνει την πλήρη εικόνα του υποατομικού κόσμου. Ολόκληρο το πρότυπο μοντέλο, το πορτρέτο αυτών των μικροσκοπικών πλασμάτων και όλων των αλληλεπιδράσεών τους είναι πολύ μεγαλύτερο και πιο περίπλοκο από ό, τι μπορεί να περιέχεται σε μερικές παραγράφους. Και παρόλο που το Πρότυπο Μοντέλο είναι ένας θρίαμβος της σύγχρονης φυσικής, που συνδυάζεται οδυνηρά κατά τη διάρκεια δεκαετιών, με ακριβείς προβλέψεις και ακριβή πειραματισμό, είναι επίσης μια ατελής εικόνα του κόσμου μας.
Πρώτον, δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα, η οποία αυτή τη στιγμή περιγράφεται καλύτερα από την επίσης ελλιπή γενική θεωρία της σχετικότητας. Υπάρχουν επίσης τα παρατεταμένα κοσμολογικά ερωτήματα σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, στα οποία το παραδοσιακό πρότυπο μοντέλο είναι σιωπηλό (επειδή αυτά τα φαινόμενα ανακαλύφθηκαν πρόσφατα). Υπάρχουν περισσότερα: η μάζα του νετρίνου, η ιεραρχία των δυνάμεων και ούτω καθεξής.
Όμως, ενώ απέχει πολύ από την ολοκλήρωση, και ίσως λίγο μη ικανοποιητική στην προσέγγιση της τσίχλας και της αγωγού για τη μοντελοποίηση του φυσικού κόσμου, το πρότυπο μοντέλο είναι απίστευτα χρήσιμο. Μπορεί να προβλέψει με εντυπωσιακή ακρίβεια τις κινήσεις και τις κινήσεις αυτών των υποατομικών κρησφύγετων και όλου του κακόβουλου σχεδιασμού τους.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Ποιος ζει στον ζωολογικό κήπο σωματιδίων;" στο podcast "Ask a Spaceman", διαθέσιμο στο iTunes και στον Ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Χάρη στους Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. και @PoZokhr 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.
