En proton (forgrunnen) består av tre kvarker, hver med en unik egenskap som kalles farge. De blir holdt fast av den sterke kjernefysiske styrken.
(Bilde: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet. Sutter bidro denne artikkelen til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Alle de fire kjente naturkreftene har sin egen unike plassering. Tyngdekraft, elektromagnetisme, svakt kjernefysisk, sterkt kjernefysisk: Hver og en som styrer et lite domene i livene våre. Mens våre daglige opplevelser domineres av jordens tyngdekraft og elektromagnetismen til lys- og kjøleskapsmagneter, spiller de tvillingkjernekreftene også sentrale roller - bare på veldig, veldig bittesmå skalaer.
Hvor liten? Se for deg at du ballonger opp for å bli størrelsen på solsystemet. Hendene dine svømmer gjennom Oort Cloud seg selv, planetene hekker over magen. Du er så stor at det tar uker eller til og med måneder for elektriske signaler å reise gjennom nervesystemet ditt, og til og med gjøre de enkleste bevegelsene så sakte.
Det er forskjellen mellom din nåværende størrelse (omtrent et par meter) og 10 ^ 15 meter.
Nå, kjør den omvendt. Se for deg en skala så liten at din nåværende kropp føles like enorm som solsystemet. En skala der bevegelsene dine ryker sammen på det tregeste tempoet. Denne utrolig bittesmå skalaen er femtometeret: 10 ^ -15 meter. Det er omfanget av atomkjernen.
Inn i protonen
Fra vei opp hit er det fristende å tenke på protonet som en enkelt partikkel. Et hardt skall med positiv ladning og masse, i stand til å sprette og banke like lett som en biljardkule. Men i virkeligheten er et proton laget av tre mindre partikler. Disse partiklene har det herlig sære navnet på kvarker. Det er til sammen seks slags kvarker i naturen, men for vår tette undersøkelse av protonet trenger vi bare å bry oss om to av dem, kalt opp- og ned-kvarkene.
Som jeg sa, en proton er en triplett av kvarker: to opp kvarker og en ned kvark. Disse kvarkene binder seg sammen som et team, og det bundne teamet er det vi kaller en proton.
Bortsett fra, det burde ikke være noe fornuftig.
De to opp-kvarkene har nøyaktig samme elektriske ladning (fordi de er nøyaktig samme type partikkel), så de burde absolutt hate hverandre. Hvordan holder de seg så tett limt?
Og mer, vi vet fra kvantemekanikk at to kvarker ikke kan dele nøyaktig samme tilstand - du kan ikke ha to av samme type bundet sammen slik. De to oppe kvarkene skal ikke få sameksistere slik. Og likevel tolererer de ikke bare hverandre, men ser ut til å virkelig glede seg over selskapet!
Hva skjer?
En annen farge
På 1950- og 60-tallet begynte fysikere å innse at protonet ikke er grunnleggende - det kan deles ned i mindre deler. Så de gjorde en haug med eksperimenter og utviklet en haug med teorier for å knekke den aktuelle nøtten. Og de løp øyeblikkelig ut a) eksistensen av kvarker og b) de underlige conundrumsene ovenfor.
Noe holdt de tre kvarkene sammen. Noe virkelig, veldig sterkt. En ny naturkraft.
Den sterke styrken.
Den da hypotetiserte sterke styrken løste problemene med sameksisterende kvarker med enkel brute kraft. Å, dere liker ikke å være sammen fordi dere ikke kan dele den samme staten? Vel, så ille, den sterke styrken vil få deg til å gjøre det uansett, og det vil gi en vei rundt problemet.
Og hver styrke har et tilknytningspunkt. En krok. En måte å fortelle den styrken hvor mye du blir berørt av den. For den elektromagnetiske kraften er det den elektriske ladningen. For tyngdekraften er det massen. For den sterke kjernefysiske styrken måtte fysikere komme med en ny krok. En måte for et kvark å koble seg til et annet kvark via den styrken. Og fysikere valgte ordet farge.
Så hvis du eller en partikkel du kjenner har denne nye egenskapen kalt farge, så får du føle den sterke kjernefysiske styrken. Fargen din kan være en av rød, grønn eller blå (forvirrende er det også anti-rød, anti-green og anti-blue, fordi selvfølgelig er ikke livet så enkelt). For å bygge en partikkel som en proton, må alle fargene på kvarkene legge til hvitt. Dermed blir den ene kvarken tildelt å være rød, den andre tildelt til å være grønn, og den siste tildelt til å være blå. Den spesielle tildelingen av farger spiller faktisk ingen rolle (og faktisk skifter de enkelte kvarkene stadig farge), det som betyr noe er at de alle legger opp til hvitt og at den sterke kraften kan gjøre sitt arbeid.
Denne nye fargenegenskapen er det som gjør at kvarkene kan dele en tilstand i en proton. Med farger er ingen to kvarker nøyaktig de samme - de har nå forskjellige farger.
Super styrke
Se for deg å ta to små tang og ta tak i to av kvarkene i protonen. Du trener, slik at du er i stand til å overvinne styrken til den sterke kjernefysiske styrken som holder dem sammen.
Men her er noe rart med den sterke styrken: Den avtar ikke med avstand. Andre krefter, som tyngdekraft og elektromagnetisme, gjør det. Men den sterke styrken forblir like sterk som den alltid er, uansett hvor langt fra hverandre disse kvarkene er.
Så mens du trekker på disse kvarkene, må du fortsette å legge til mer og mer energi for å opprettholde separasjonen. Etter hvert tilfører du så mye energi at energien tilsvarer masse og alt det, nye partikler dukker opp i vakuumet mellom kvarkene. Nye partikler som ... andre kvarker.
Disse nye kvarkene finner nesten umiddelbart sine nyskilte venner og binder seg sammen, kaster alt det harde arbeidet ditt og svetter bort i et enkelt glimt av energi før avstanden mellom dem til og med blir merkbar. Når du tror du har skilt kvarkene, har de allerede funnet nye å binde seg til. Denne effekten er kjent som kvark-innesperring: Den sterke kraften er faktisk så hengende sterk at den hindrer oss i å noensinne se en kvark isolert.
Det er synd at vi aldri får se hva fargen er.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hva gjør den sterke styrken så sterk?" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til Kayja N. og Ter B. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
- Fysikere oppdaget nettopp en veldig merkelig partikkel som overhode ikke er en partikkel
- Mer enn én virkelighet eksisterer (i kvantefysikk)
- Hvorfor fysikere er interessert i de mystiske underlige spørsmålene om den heftigste kvarken
