En proton (forgrund) består af tre kvarker, hver med en unik egenskab kaldet farve. De holdes stramme af den stærke atomkraft.
(Billede: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet. Sutter bidrog med denne artikel Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Alle fire kendte naturkræfter har deres eget unikke sted. Tyngdekraft, elektromagnetisme, svagt nukleart, stærkt nukleart: Hver enkelt, der styrer et lille domæne i vores liv. Mens vores hverdagslige oplevelser domineres af jordens tyngdekraft og elektromagnetismen i lys- og køleskabsmagneter, spiller de to nukleare kræfter også nøgleroller - bare ved meget, meget små skalaer.
Hvor lille? Forestil dig, at du ballonerer op for at blive størrelsen på solsystemet. Dine hænder svømmer gennem Oort Cloud i sig selv, planeterne nestle over din maveknap. Du er så stor, at det tager uger eller endda måneder at elektriske signaler tager deres rejse gennem dit nervesystem, hvilket gør selv de enkleste bevægelser virkelig langsomt.
Det er forskellen mellem din nuværende størrelse (ca. et par meter) og 10 ^ 15 meter.
Nu skal du køre den omvendt. Forestil dig en skala, der er så lille, at din nuværende krop føles lige så enorm som solsystemet. En skala, hvor dine bevægelser rykker sammen ved det langsomste tempo. Denne utroligt lille skala er femtometeret: 10 ^ -15 meter. Det er omfanget af atomkernen.
Ind i protonen
Fra vej op her er det fristende at tænke på protonen som en enkelt partikel. En hård skal med positiv ladning og masse, der er i stand til at hoppe og banke lige så let som en billardkugle. Men i virkeligheden er en proton lavet af tre mindre partikler. Disse partikler har det dejligt quirky navn på quarks. Der er i alt seks slags kvarker i naturen, men til vores tætte undersøgelse af protonen behøver vi kun at bekymre os om to af dem, der hedder op- og ned-kvarkerne.
Som jeg sagde, er en proton en triplet af kvarker: to kvarker op og en ned quark. Disse kvarker bindes sammen som et hold, og det bundne hold er det, vi kalder en proton.
Bortset fra, det burde ikke give mening.
De to kvarkere har den nøjagtige samme elektriske ladning (fordi de er nøjagtigt den samme type partikel), så de burde absolut hader hinanden. Hvordan forbliver de så tæt limet?
Og hvad mere er, vi ved fra kvantemekanikken, at to kvarker ikke kan dele nøjagtigt den samme tilstand - du kan ikke have to af samme type bundet sådan. Disse to kvarkere burde ikke have lov til at eksistere sammen sådan. Og alligevel tolererer de ikke kun hinanden, men ser ud til at de virkelig nyder virksomheden!
Hvad sker der?
En anden farve
I 1950'erne og 60'erne begyndte fysikere at indse, at protonen ikke er grundlæggende - den kan opdeles i mindre dele. Så de lavede en masse eksperimenter og udviklede en flok teorier for at knække den bestemte nød. Og de løb straks ind i a) eksistensen af kvarker og b) de forundrede conundrums ovenfor.
Noget holdt de tre kvarker sammen. Noget virkelig, virkelig stærkt. En ny naturkraft.
Den stærke kraft.
Den daværende hypotetiserede stærke styrke løste problemer med sameksisterende kvarker ved simpelt brute kraft. Åh, du kan ikke lide at være sammen, fordi du ikke kan dele den samme tilstand? Nå, for dårligt, den stærke styrke vil få dig til at gøre det alligevel, og det vil give en vej rundt om dette problem.
Og hver styrke har et forbindelsespunkt. En krog. En måde at fortælle den kraft, hvor meget du er berørt af den. For den elektromagnetiske kraft er det den elektriske ladning. For tyngdekraften er det massen. For den stærke atomkraft måtte fysikere komme med en ny krog. En måde for et kvark at oprette forbindelse til et andet kvark via denne kraft. Og fysikere valgte ordet farve.
Så hvis du eller en partikel, du kender, har denne nye egenskab kaldet farve, får du til at føle den stærke atomkraft. Din farve kan være en af rød, grøn eller blå (forvirrende er der også anti-rød, anti-green og anti-blue, fordi livet naturligvis ikke er så enkelt). For at opbygge en partikel som en proton skal alle farverne på kvarkerne tilføjes hvidt. Således får den ene kvark tildelt at være rød, den anden tildeles grøn, og den sidst tildelte til at være blå. Den særlige tildeling af farve betyder faktisk ikke noget (og faktisk skifter de enkelte kvarker konstant farve), hvad der betyder noget er, at de alle tilføjer hvidt, og at den stærke styrke kan udføre sit arbejde.
Denne nye farveegenskab er det, der giver kvarkerne mulighed for at dele en tilstand i en proton. Med farve er ingen to kvarker nøjagtig de samme - de har nu forskellige farver.
Super styrke
Forestil dig at tage to små tang og gribe to af kvarkerne i protonen. Du træner, så du er i stand til at overvinde styrken af den stærke atomkraft, der holder dem sammen.
Men her er noget underligt ved den stærke kraft: Den mindskes ikke med afstanden. Andre kræfter, som tyngdekraft og elektromagnetisme, gør det. Men den stærke styrke forbliver lige så stærk som den altid er, uanset hvor langt fra hinanden disse kvarker er.
Så når du trækker på disse kvarker, er du nødt til at tilføje mere og mere energi for at opretholde adskillelsen. Til sidst tilføjer du så meget energi, at energi, der svarer til masse og alt det der, nye partikler vises i vakuumet mellem kvarkerne. Nye partikler som ... andre kvarker.
Disse nye kvarker finder næsten øjeblikkeligt deres nyligt adskilte venner og binder sig sammen, kaster alt dit hårde arbejde og sveder væk med en enkelt blitz energi, inden afstanden mellem dem endda er mærkbar. På det tidspunkt, du tror, at du har adskilt kvarkerne, har de allerede fundet nye, de skal binde til. Denne effekt er kendt som kvarkindeslutning: Den stærke kraft er faktisk så vældig stærk, at den forhindrer os i nogensinde at se en kvark isoleret.
Det er en skam, at vi aldrig får se, hvad dens farve er.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvad gør den stærke styrke så stærk?" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Kayja N. og Ter B. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
- Fysikere har lige opdaget en meget underlig partikel, der overhovedet ikke er en partikel
- Mere end én virkelighed findes (i kvantefysik)
- Hvorfor fysikere er interesseret i de mystiske underlige forhold i den heftigste kvark
