CO DĚLá SILNOU SíLU TAK ZVLáŠTNí?

Send

Proton (popředí) se skládá ze tří kvarků, z nichž každý má jedinečnou vlastnost zvanou barva. Jsou pevně drženi silnou jadernou silou.

(Obrázek: © Lawrence Berkeley National Laboratory)

Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru. Sutter přispěl k tomuto článku Odborné hlasy Space.com: Op-Ed & Insights.

Všechny čtyři známé přírodní síly mají své vlastní jedinečné místo. Gravitace, elektromagnetismus, slabá jaderná energie, silná jaderná: Každá z nich ovládá malou doménu našeho života. Zatímco v našich každodenních zkušenostech dominuje gravitace Země a elektromagnetismus světla a magnetů ledničky, klíčové role hrají také dvojí jaderné síly - jen ve velmi malém měřítku.

Jak malé? Představte si, že se vznášíte, abyste se stali velikostí sluneční soustavy. Vaše ruce plavou skrz Oort Cloud samotné planety se hnízdí nad tlačítkem břicha. Jste tak velcí, že elektrické signály trvají týdny nebo dokonce měsíce, než projdou nervovým systémem, takže i ta nejjednodušší gesta jsou bolestivě pomalá.

To je rozdíl mezi vaší aktuální velikostí (zhruba několik metrů) a 10 ^ 15 metrů.

Nyní to spusťte obráceně. Představte si měřítko tak malé, aby se vaše současné tělo cítilo stejně velké jako sluneční soustava. Měřítko, ve kterém se vaše pohyby pohybují při nejpomalejším tempu. Tato neuvěřitelně malá stupnice je femtometr: 10 ^ -15 metrů. Je to měřítko atomového jádra.

Do protonu

Odtud je to lákavé myslet na proton jako na jednu částici. Tvrdá skořápka s pozitivním nábojem a hmotou, schopná odrazit a srazit se stejně snadno jako kulečníková koule. Ve skutečnosti je však proton vyroben ze tří menších částic. Tyto částice mají nádherně nepředvídatelné jméno kvarků. V přírodě existuje celkem šest druhů kvarků, ale pro naše podrobné zkoumání protonu se musíme starat pouze o dva z nich, pojmenované kvarky nahoru a dolů.

Jak jsem řekl, proton je trojice kvarků: dva kvarky nahoru a jeden kvark dolů. Tyto kvarky se spojují jako tým a ten vázaný tým je tím, co nazýváme proton.

Kromě toho by to nemělo dávat smysl.

Dva kvarky mají přesně stejný elektrický náboj (protože jsou to přesně stejný druh částic), takže by se měly absolutně navzájem nenávidět. Jak zůstávají tak pevně přilepeni?

A co víc, z kvantové mechaniky víme, že dva kvarky nemohou sdílet přesně stejný stav - nemůžete mít dva stejné druhy spolu svázané. Těmto dvěma kvarkům by nemělo být dovoleno koexistovat společně. A přesto se navzájem nejen tolerují, ale zdá se, že si společnost opravdu užívají!

Co se děje?

Jiná barva

V 50. a 60. letech si fyzici začali uvědomovat, že proton není fundamentální - lze jej rozdělit na menší části. Udělali spoustu experimentů a vyvinuli spoustu teorií, aby rozbili tuhle matici. A okamžitě narazili na a) existenci kvarků ab) záhadné hlavolamy nahoře.

Něco drželo tyto tři kvarky pohromadě. Něco opravdu, opravdu silné. Nová síla přírody.

Silná síla.

Tehdy předpokládaná silná síla vyřešila problémy koexistujících kvarků jednoduchou hrubou silou. Oh, nechcete být spolu, protože nemůžete sdílet stejný stav? No, příliš špatné, silná síla vás nutí, abyste to stejně udělali, a tento problém jim poskytne cestu.

A každá síla má bod připojení. Hák. Způsob, jak říct této síle, jak moc vás to ovlivní. Pro elektromagnetickou sílu je to elektrický náboj. Pro gravitaci je to hmotnost. Pro silnou jadernou sílu museli fyzikové přijít s novým háčkem. Způsob, jak se kvark prostřednictvím této síly spojí s jiným kvarkem. A fyzici si vybrali barvu slova.

Pokud tedy vy nebo částice, které znáte, mají tuto novou vlastnost zvanou barva, budete cítit silnou jadernou sílu. Vaše barva může být červená, zelená nebo modrá (matoucí je také anti-red, anti-green a anti-blue, protože samozřejmě život není tak jednoduchý). Abychom vytvořili částici jako proton, musí všechny barvy kvarků přidat až bílou. Jeden kvark je tedy přiřazen k červené, druhý k zelené a poslední k modré. Konkrétní přiřazení barev ve skutečnosti nezáleží (a ve skutečnosti jednotlivé kvarky barvu neustále mění), na čem záleží je to, že všichni přidají bílou a že silná síla může dělat svou práci.

Tato nová vlastnost barvy umožňuje to, aby kvarky sdílely stav uvnitř protonu. S barvou nejsou dva kvarky úplně stejné - nyní mají různé barvy.

Super síla

Představte si, že vezmete dva malé kleště a popadnete dva z kvarků v protonu. Cvičíte tak, abyste byli schopni překonat sílu silné jaderné síly, která je drží pohromadě.

Ale je tu něco divného o silné síle: S vzdáleností se to nezmenšuje. Ostatní síly, jako je gravitace a elektromagnetismus, ano. Ale silná síla zůstává stejně silná jako vždy, bez ohledu na to, jak daleko jsou tyto kvarky od sebe vzdálené.

Takže když taháte tyto kvarky, musíte udržovat přidávání více a více energie, abyste udrželi oddělení. Nakonec přidáte tolik energie, že energie je ekvivalentní hmotnosti a navíc se ve vakuu mezi kvarky objeví nové částice. Nové částice jako… jiné kvarky.

Tyto nové kvarky téměř okamžitě najdou své nově oddělené přátele a spojí se, hodí veškerou svou tvrdou práci a potu pryč v jediném záblesku energie, než je vzdálenost mezi nimi ještě patrná. V době, kdy si myslíte, že jste kvarky oddělili, již našli nové, k nimž se váží. Tento efekt je známý jako uvěznění kvarků: Silná síla je ve skutečnosti tak silná, že nám brání v tom, abychom viděli kvark samostatně.

Je to škoda, že nikdy neuvidíme, jaká je jeho barva.

Další informace získáte poslechem epizody "Co dělá silnou sílu tak silnou?" na podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Děkuji Kayji N. a Ter B. za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.