Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι, όπως ίσως έχετε μαντέψει, μια πολύ ισχυρή δύναμη πράγματι. Είναι τόσο ισχυρό ώστε είναι σε θέση να τραβήξει μαζί μερικά από τα μικρότερα σωματίδια στο σύμπαν για πολύ μεγάλες περιόδους, ίσως για πάντα. Τα σωματίδια που δεσμεύονται από την ισχυρή δύναμη αποτελούν τα δομικά στοιχεία του καθημερινού μας κόσμου: πρωτόνια και νετρόνια. Αλλά αν έπρεπε να κόψετε ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο, δεν θα βρείτε μια ωραία και απλή διάταξη υποατομικών σωματιδίων. Αντ 'αυτού, θα δείτε τα αηδιαστικά σπλάχνα ίσως μιας από τις πιο σύνθετες δυνάμεις του σύμπαντος.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι τα μόνα πράγματα που μπορεί να κάνει η ισχυρή δύναμη, αλλά δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά τις άλλες πιο περίπλοκες και εξωτικές ρυθμίσεις. Επιπλέον, ακόμη και οι παρατηρήσεις και τα πειράματά μας είναι πολύ αυταρχικά. Αλλά οι φυσικοί είναι σκληροί στη δουλειά προσπαθώντας να βγάλουν από κοινού στοιχεία για αυτή τη θεμελιώδη δύναμη της φύσης.
Ισχυρή και πολύπλοκη
Για να περιγράψουμε τη δυνατή δύναμη, είναι καλύτερο να την αντιπαραβάλλουμε με τον πολύ πιο διάσημο ξάδερό της, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη τα πράγματα είναι απλά, εύκολα και απλά. τόσο πολύ ώστε οι επιστήμονες της δεκαετίας του 1900 κατάφεραν να το καταλάβουν. Με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, οποιοδήποτε σωματίδιο μπορεί να ενταχθεί στο συμβαλλόμενο μέρος αρκεί να έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο. Εάν έχετε αυτή τη φόρτιση, τότε αισθάνεστε και απαντάτε στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Και όλα τα είδη των σωματιδίων όλων των λωρίδων και γεύσεων φέρουν ένα ηλεκτρικό φορτίο, όπως το ηλεκτρονικό σας κέλυφος.
Ένα άλλο σωματίδιο, το ελαφρύ σωματίδιο (επίσης γνωστό ως φωτόνιο), κάνει το έργο της μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικής δύναμης από ένα φορτισμένο σωματίδιο στο άλλο. Το ίδιο το φωτόνιο δεν έχει το δικό του ηλεκτρικό φορτίο και είναι άζωτο. Ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός, κινείται μπρος-πίσω στο σύμπαν, κάνοντας ηλεκτρομαγνητισμό να συμβεί.
Ηλεκτρικό φορτίο. Ένας φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Απλή, απλή.
Αντίθετα, υπάρχουν έξι σωματίδια που υπόκεινται στην ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ως ομάδα, είναι γνωστά ως κουάρκ και έχουν αρκετά ιδιόμορφα ονόματα όπως πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, παράξενα και γοητευτικά. Για να αισθάνονται και να ανταποκρίνονται στην ισχυρή πυρηνική δύναμη, αυτά τα κουάρκ έχουν δική τους ευθύνη. Δεν είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο (αν και έχουν επίσης ηλεκτρικό φορτίο και επίσης αισθάνονται την ηλεκτρομαγνητική δύναμη), αλλά για διάφορους λόγους που κάνουν τα πράγματα πραγματικά συγκεχυμένα, οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το ειδικό φορτίο που συνδέεται με την ισχυρή πυρηνική δύναμη το χρωματικό φορτίο.
Τα κουάρκ μπορούν να έχουν ένα από τα τρία χρώματα, που ονομάζονται κόκκινο, πράσινο και μπλε. Για να ξεκαθαρίσουμε, δεν είναι πραγματικά χρώματα, αλλά μόνο ετικέτες που δίνουμε σε αυτή την παράξενη ιδιοκτησία που μοιάζει με χρέωση.
Έτσι, τα κουάρκ αισθάνονται την ισχυρή δύναμη, αλλά μεταφέρονται από ένα πλήθος άλλων σωματιδίων - οκτώ, για να είμαι ακριβής. Ονομάζονται γκλουόνες και κάνουν πολύ καλή δουλειά ... περιμένετε ... για να κολλήσετε τα κουάρκ. Οι γκλουόνια συμβαίνουν επίσης να έχουν την ικανότητα και την επιθυμία να φέρουν το χρώμα τους. Και έχουν μάζα.
Έξι κουάρκ, οκτώ γκλουόνια. Τα κουάρκ μπορούν να αλλάξουν το χρωματικό τους φορτίο, και οι γκλουόνες μπορούν επίσης, γιατί όχι.
Όλα αυτά σημαίνουν ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι πολύ πιο πολύπλοκη και περίπλοκη από τον ηλεκτρομαγνητικό ξάδελφό της.
Εξαιρετικά ισχυρή
Εντάξει, είπα ψέματα. Οι φυσικοί δεν αποκαλούσαν απλώς αυτή την ιδιότητα των κουάρκ και των γκλουόνων "το χρωματικό φορτίο" επειδή αισθάνθηκαν όπως αυτό, αλλά επειδή χρησιμεύουν ως χρήσιμη αναλογία. Τα γκλόνα και τα κουάρκ μπορούν να δεσμευτούν μαζί για να σχηματίσουν μεγαλύτερα σωματίδια, εφόσον όλα τα χρώματα προστίθενται στο άσπρο, όπως και το κόκκινο, το μπλε και το πράσινο φως προστίθενται στο λευκό φως ... Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός είναι τρία κουάρκ, ένα κόκκινο, και μπλε. Αλλά η αναλογία γίνεται λίγο δύσκολη εδώ, επειδή κάθε μεμονωμένο κουάρκ μπορεί να έχει οποιοδήποτε από τα χρώματα που του έχουν ανατεθεί ανά πάσα στιγμή. αυτό που έχει σημασία είναι ο αριθμός των κουάρκ για να πάρει τους σωστούς συνδυασμούς. Έτσι μπορείτε να έχετε ομάδες τριών κουάρκ για να φτιάξετε τα γνωστά πρωτόνια και νετρόνια. Μπορείτε επίσης να έχετε ένα κουάρκ δεσμευμένο με το αντι-κουάρκ του, όπου το χρώμα ακυρώνεται με το ίδιο (όπως στα πράσινα ζευγάρια με αντι-πράσινο, και όχι εγώ δεν το κάνω μόνο όταν πηγαίνω μαζί), για να φτιάξω ένα είδος σωματιδίων γνωστό ως μεσόν.
Αλλά δεν τελειώνει εκεί.
Θεωρητικά, οποιοσδήποτε συνδυασμός κουάρκ και gluons που προστίθενται στο λευκό είναι τεχνικά επιτρεπτός στη φύση.
Για παράδειγμα, δύο μεσόνια - καθένα με δύο κουάρκ μέσα τους - μπορούν δυνητικά να συνδεθούν σε κάτι που ονομάζεται tetraquark. Και σε μερικές περιπτώσεις, μπορείτε να προσθέσετε ένα πέμπτο κουάρκ στο μείγμα, που θα εξισορροπήσει ακόμα όλα τα χρώματα, τα οποία αποκαλείτε (το μαντέψατε) ένα πεντακουάρ.
Το τετρακάρπ δεν χρειάζεται καν να είναι τεχνικά συνδεδεμένο μαζί σε ένα μόνο σωματίδιο. Μπορούν απλά να υπάρχουν κοντά το ένα στο άλλο, κάνοντας αυτό που λέγεται υδρονικό μόριο.
Και πόσο τρελό είναι αυτό: Οι ίδιοι οι γλουόνιοι μπορεί να μην χρειάζονται καν ένα κουάρκ για να κάνουν σωματίδια. Μπορεί απλώς να υπάρχει μια σφαίρα από γκλουόνια που κρέμεται, σχετικά σταθερή στο σύμπαν. Ονομάζονται glueballs. Το φάσμα όλων των πιθανών δεσμευμένων καταστάσεων που επιτρέπονται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη ονομάζεται φάσμα κουρκωνίου, και αυτό δεν είναι ένα όνομα που έχει δημιουργηθεί από συγγραφέα τηλεοπτικών εκπομπών Sci-Fi. Υπάρχουν όλα τα είδη τρελών δυναμικών συνδυασμών κουάρκ και gluons που μπορεί να υπάρχουν.
Έτσι κάνουν;
Quark Rainbow
Μπορεί.
Οι φυσικοί έχουν εκτελέσει πειράματα πυρηνικής δύναμης εδώ και αρκετές δεκαετίες τώρα, όπως το Πείραμα Baber και μερικοί στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, αργά με τα χρόνια που φτάνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας για να εξερευνήσουν βαθύτερα και βαθύτερα στο φάσμα κουρκωνίου (και ναι έχετε την άδειά μου να χρησιμοποιήσετε αυτή τη φράση σε οποιαδήποτε πρόταση ή περιστασιακή συνομιλία που θέλετε, είναι τόσο τρομερή). Σε αυτά τα πειράματα, οι φυσικοί έχουν βρει πολλές εξωτικές συλλογές κουάρκ και γλουτών. Οι πειραματιστές τους δίνουν funky ονόματα, όπως το χc2 (3930).
Αυτά τα τεμάχια εξωτικού δυναμικού υπάρχουν μόνο φευγαλέα, αλλά σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν οριστικά. Αλλά οι φυσικοί έχουν έναν δύσκολο χρόνο να συνδέουν αυτά τα σύντομα παραγόμενα σωματίδια με τα θεωρητικά που υποψιάζουμε πως θα έπρεπε να υπάρχουν, όπως τα τετρακάρικα και τα glueballs.
Το πρόβλημα με τη σύνδεση είναι ότι τα μαθηματικά είναι πραγματικά σκληρά. Σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, είναι πολύ δύσκολο να γίνουν ισχυρές προβλέψεις που περιλαμβάνουν ισχυρή πυρηνική δύναμη. Δεν είναι μόνο λόγω των περίπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κουάρκ και των γλουτών. Σε πολύ υψηλές ενέργειες, η δύναμη της ισχυρής πυρηνικής δύναμης αρχίζει πραγματικά να εξασθενεί, επιτρέποντας την απλούστευση των μαθηματικών. Αλλά στις χαμηλότερες ενέργειες, όπως η ενέργεια που απαιτείται για να δεσμεύσουν μαζί τα κουάρκ και τα γκλουόνια να παράγουν σταθερά σωματίδια, η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι στην πραγματικότητα πολύ καλή. Αυτή η αυξημένη δύναμη καθιστά το μάθημα πιο δύσκολο να καταλάβει.
Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν βρει μια δέσμη τεχνικών για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, αλλά οι ίδιες οι τεχνικές είναι είτε ελλιπείς είτε αναποτελεσματικές. Ενώ γνωρίζουμε ότι ορισμένες από αυτές τις εξωτικές καταστάσεις στο φάσμα κουρκωνίου υπάρχουν, είναι πολύ δύσκολο να προβλέψουμε τις ιδιότητές τους και τις πειραματικές υπογραφές.
Ακόμα, οι φυσικοί εργάζονται σκληρά, όπως πάντα. Αργά, με την πάροδο του χρόνου, χτίζουμε τη συλλογή μας από εξωτικά σωματίδια που παράγονται σε συγκρουόμενους οργανισμούς και κάνουμε καλύτερες και καλύτερες προβλέψεις σχετικά με το τι θα πρέπει να μοιάζουν τα θεωρητικά κράτη quarkonium. Οι αγώνες έρχονται αργά μαζί, δίνοντάς μας μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα αυτής της περίεργης αλλά θεμελιώδους δύναμης στο σύμπαν μας.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής του Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η Θέση σας στο Σύμπαν.
