Podvratná soustava částic, sil a polí diktuje subatomický základ všeho, co vidíme.
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzitě v Ohiu a hlavní vědec ve vědeckém centru COSI. Sutter je také hostitelem „Ask a Spaceman“ a „Space Radio“ a vede AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do expertních hlasů Space.com: Op-Ed & Insights.
Chcete-li navštívit opravdu podivnou zemi plnou úžasu a tajemství, nemusíte se proklouznout kouzelnou skříní, jezdit na létající stvoření, které by nemělo být schopné létat nebo bezohledně skákat portálem do jiné dimenze. Ne, vše, co musíte udělat, je otevřít trhák na urychlení částic a podívat se dolů, dolů, dolů.
Na subatomické úrovni je skutečná rozmanitost a nádhera přírody na plném displeji, se závratným množstvím částic, sil a polí, které všechny svírají a víří, řídí se téměř nevyvratitelnými fyzikálními zákony. Přesto nějakým způsobem, než aby vytvořily chaotický nepořádek, všechny jejich komplikované interakce vytvářejí pravidelný, uspořádaný, vzorovaný makroskopický svět, se kterým jsme obeznámeni. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Nejmenší rozptýlené částice přírody (Infographic)]
Jeden může pochopit ten malý svět, jak je rozdělen do přísné hierarchie, s jasnými liniemi mezi vládci a vládnoucí, mezi těmi, kteří sedí pohodlně ve svých stabilních hradech, a nízkými rolníky, kteří skutečně vykonávají práci. Interakce mezi různými obyvateli jsou dány do kamene neměnnými pravidly: Existuje místo pro každého a každý má místo.
Pojď, pojďme navštívit.
Je dobré být králem
Ve středu toho všeho jsou nejmasivnější stabilní částice: kvarky nahoru a dolů. Jejich dlouhověkost jim umožňuje spojit se do téměř nedobytných pevností: zámky nukleonů známé jako protony a neutrony. Udržování těchto nukleonických citadelů však nečiní samy kvarky. Ve skutečnosti je kombinovaná hmotnost všech kvarků v nukleonu mnohem menší než hmotnost protonu nebo neutronu.
Místo toho jsou kvarky nahoru a dolů naplněny speciální schopností, kterou ostatní částice říše nezná. Cítí silnou jadernou sílu. To je zdaleka nejsilnější síla, spojující kvarky tak intenzivně, že jediného nikdy nelze vidět izolovaně. Tato interakce tvoří neviditelnou páteř našeho makroskopického světa. Bereme protony a neutrony jako samozřejmost - tak pevně staví své hradební zdi. A jejich masy jsou většinou způsobeny spíše silou jejich vnitřních jaderných vazeb, než jednotlivými kvarky.
Silná jaderná síla se nezastaví na úrovni protonů a neutronů. Lepidlo, které spojuje kvarky a dává jim nadvládu nad všemi ostatními částicemi, je tak dominantní, že může shromáždit několik těchto hradů společně do robustní pevnosti známé jako atomové jádro. I když tato struktura není impregnovatelná jako samotné protony a neutrony, svržení jádra stále vyžaduje obrovské úsilí.
Přesto je veškerá jejich dominantní síla dosahu svěráku podobného kvarku omezena na konkrétní hrad a blízké okolí. Je to proto, že silná síla je po celou svou sílu rozsahem značně omezena. To nastavuje velikost pevností, hradů a udržuje, které identifikujeme jako jádra našeho světa. [7 podivných faktů o kvarkech]
Toiling pole
Kromě tohoto omezeného dosahu udržují kvarky své domény pod kontrolou a spolu komunikují prostřednictvím královských poslů - fotonů. Tito rychle vyslaní vyslanci vyskočili z místa na místo ve vesmíru, nikdy nebyli unavení a nesli elektromagnetickou sílu - elektřinu, magnetismus a dokonce i samotné světlo - na jakoukoli částici, která má elektrický náboj. Tento vliv se táhne napříč celým vesmírem, i když samozřejmě čím dál jste od zdroje, tím slabší je účinek.
Tato elektromagnetická vazba udržuje linii subatomického světa v linii a zatímco kvarky tráví své dny ve volnoběhu v relativním pohodlí svého bezpečného a odlehlého hradu, utahované „rolníci“ - elektrony - vykonávají veškerou práci s bohatými variacemi možných chemických reakcí. To je pravda - jsou to chudí, zapalovací elektrony, kteří otrokují pryč pro své mistry kvarků. Elektrony jsou vázány k jádru elektromagnetem - ale obvykle jim brání ve skutečném vstupu podle pravidel kvantové mechaniky - elektrony jsou vyměňovány mezi atomy, což nám dává chemii, která umožňuje téměř všechno o našem každodenním životě.
Vládnoucí kvarky budou šťastně obchodovat, krást a půjčovat si skromný elektron ze sousední domény a formovat své pohyby těžce ovládaným proddingem z fotonů - aniž by se staraly o své individuální naděje, sny nebo ambice (volně se šíří vesmírem, otáčí se kolem magnetu) pole atd.).
Číhá ve stínu
Ale ne všechny částice ve vesmíru jsou drženy pod palcem despotických kvarků. Někteří mohou volně proudit po celém vesmíru, necítit silnou sílu a bezpečně ignorovat nepřátelské záře od projíždějících fotonů: neutrin Tyto strašidelné částice se mohou skrývat před očima, tak šumivé, že po celá desetiletí jsme si mysleli, že jsou zcela bezhmotní.
Neutrina přicházejí ve třech typech: elektron-neutrino, muon-neutrino a tau-neutrino, ale jsou tak dobře maskovaná, že si nikdy nejste jisti, který z nich si prohlížíte. Když cestují, mohou procházet maskami, které nosí, a přepínat svou identitu pomocí ostřílených špionů. Jejich masky určují, jak (příležitostně) interagují se zbytkem částic ve vesmíru: Elektroneutrin se bude účastnit například reakcí zahrnujících elektrony.
Ale díky neutrinové povaze neutrina nemůže být proces, který vytváří zvláštní příchuť této částice, vždy v opačném směru, aby znovu zachytil původní odrůdu - je to přepínaná identita.
Nehledě na všechny jejich triky a lest, neutrina nejsou imunní vůči ovlivňování z domén kvarků. K tomu, aby k takovému účinku došlo, jsou však zapotřebí speciální síly. Experimentální částice zvané W a Z bosony, nosiče slabé jaderné síly, jsou jedinými, kteří jsou schopni komunikovat s rogueish neutrinos. V některých případech se bosonům podaří přeměnit neutrina na více vyhovující stvoření, jako jsou elektrony.
I v tom případě je to šance na štěstí: Záludní neutrina se většinou zbavují skotu.
Soubor dovedností těchto W a Z bosonů, tajných černošských bojovníků částicového světa, však přesahuje jen občasné neutrinové setkání. Mají také téměř výhradní přístup k vnitřnímu svatyni nukleonové pevnosti a mohou změnit jeden druh kvarku na jiný. Pokud neutron unikne z bezpečí atomového jádra, mohou tyto speciální bosony transformovat tuto částici na stabilnější proton.
Mimo říši
To samozřejmě nedává úplný obraz subatomického světa. Celý standardní model, náš portrét těch drobných tvorů a všechny jejich interakce s podniky jsou mnohem větší a složitější, než je možné obsáhnout v několika odstavcích. A i když je standardní model triumfem moderní fyziky, bolestivě spojenou v průběhu desetiletí, s náročnými předpovědi a precizním experimentováním, je to také neúplný obraz našeho světa.
Za prvé, nezahrnuje gravitaci, která je nyní nejlépe popsána také neúplnou obecnou teorií relativity. Existují také přetrvávající kosmologické otázky o povaze temné hmoty a temné energie, na které tradiční standardní model mlčí (protože tyto jevy byly objeveny teprve nedávno). Je toho více: hmotnost neutrina, hierarchie sil a tak dále.
Ale přestože není zdaleka úplný a možná trochu neuspokojivý ve svém přístupu k modelování fyzického světa žvýkačky a žvýkačky, je standardní model neuvěřitelně užitečný. S překvapivou přesností dokáže předvídat pohyby a pohyby těchto subatomických obyvatel a všechny jejich hanebné schémata.
Více se dozvíte poslechem epizody „Kdo žije v částicové zoo?“ na podcastu „Zeptejte se Spacemana“, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Děkuji Alessandrovi M., Rogerovi, Martinovi N., Danielu C. a @PoZokhrovi za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.
