Av Richard Webb
Spørsmål: når er en sterk kraft ikke er en sterk kraft? Svar: når det er hvor som helst utenfor atomkjernen. At minst er tilfelle med den sterke kjernekraften, en av de fire fundamentale kreftene i naturen (de andre er elektromagnetisme, gravitasjon og den svake kjernekraften).
Den sterke kraft holder sammen kvarker, den fundamentale partikler som protoner og nøytroner i atomkjernen, og videre holder sammen protoner og nøytroner til å danne atomic kjerner., Som sådan er ansvarlig for den underliggende stabilitet av saken. Sin enorme makt er også det som er utgitt i prosessen kjernefysisk fusjon i solen, eller fisjon i en atombombe.
På subatomære skalaer på ca 1 femtometre, eller 10-15m , det er desidert den sterkeste av de fire styrker, 137 ganger sterkere enn elektromagnetisme, og en million ganger sterkere enn den svake samhandling. (Tyngdekraften er så svakt at det skal være fullstendig irrelevant på disse skalaene.) Det faktum at det er ubetydelig på større skalaer er den paradoksale effekten av en merkelig sterk-force innfall., Fotonet, som sender ut elektromagnetisk kraft, har ingen elektrisk ladning, men partikler, kjent som gluoner som overfører den sterke force gjør bære den tilsvarende sterk-force «farge lade». De er derfor delta i sin egen kraft og kan samhandle med seg selv.
resultatet er at mens elektromagnetisme blir svakere når elektrisk ladete partikler som er lenger fra hverandre, hvis du prøver og trekk kvarker og gluoner som binder dem fra hverandre, styrke mellom dem vokser seg sterkere og pings dem sammen igjen., Dette fenomenet, kjent som asymptotiske frihet, betyr det at sterke-force effekter er aldri følt meg over en viss skala. Det forklarer også hvorfor verken kvarker eller gluoner kan ha en stand-alone eksistens. De bare vises som en del av større sammensatte partikler, for eksempel protoner og nøytroner.
Annonsering
Det er et helt menasjeri av slike partikler, dannet av kombinasjoner av seks typer, eller «smaker» av kvarker – opp, ned, merkelig, sjarm, bunn og topp – pluss tilsvarende antiparticles., Hvilke kombinasjoner av kvarker er tillatt, er bestemt av to ytterligere komplikasjoner.
Først, kvarker bære ikke bare farge lade, men også en elektrisk ladning av en brøkdel av et heltall: +2/3 (opp, sjarm og topp kvarker), -1/3 (ned, merkelig og bunnen kvarker), -2/3 (opp, sjarm og topp antiquarks) eller +1/3 (ned, merkelig og bunnen antiquarks). Sammensatte partikler består av kvarker, imidlertid, er bare lov til å ha heltall elektrisk ladning. For det andre er det ikke bare én type farge kostnad, så det er med elektrisk ladning, men tre: rød, grønn og blå., Den kvarker innen partikler kan endre farge så lenge de spare en samlet balanse mellom fargene.
resultatet av alt dette er at det er bare to levedyktig slags quark kompositt: baryons, dannet av tre kvarker (og tilsvarende antibaryons, dannet av tre antiquarks); og mesons, som er quark-antiquark par.,
proton og nøytron, den eneste sterke-force partikler til å ha mye for en permanent tilværelse i vår nåværende verden, er både baryons, med quark-konfigurasjoner (uud) for proton, med elektrisk ladning +1; og (udd) for nøytron, noe som resulterer i en samlet nøytral elektrisk ladning. Forskjellen i konfigurasjoner betyr også at nøytron er bare aldri så litt tyngre enn proton. Dette faktum innebærer at proton, så langt som noen vet, ikke forfall – en grunnleggende forutsetning for stabilitet av atomic saken, og så for vår eksistens.,
quark-modellen ble utviklet av fysikere Murray Gell-Mann og George Zweig uavhengig tidlig på 1960-tallet (navnet «quark» var en tull ord fra James Joyces Finnegans Wake som Gell-Mann som skjedde til å like lyden av). Dens underliggende mønstre forklart et vell av partikler av ulike masser som ble dukker opp i accelerator eksperimenter, tilsynelatende uten rim eller grunn på den tiden., I 1973, David Brutto og Frank Wilczek, og uavhengig David Politzer, oppdaget nøkkelen holderen for asymptotiske frihet som ligger til grunn for quantum chromodynamics, eller QCD, quantum field theory of the sterk kraft – en prestasjon som alle tre felles 2004 nobelprisen i fysikk.
QCD er en av to quantum field teorier, sammen med quantum electrodynamics eller QED, unified theory of elektromagnetisme og den svake kjernekraften, som til sammen utgjør det løs sammenslutning kjent som standardmodellen for partikkelfysikk., Det er fortsatt et stort håp om fysikere som QCD og QED, kan en dag, og er selv united i en teori. Den electroweak og det sterke krefter som er antatt å ha fungert som en i det utrolig varme tidlig første øyeblikk av universet. Å finne bevis for denne «grand unified theory» ville kreve å gjenskape disse svært energisk betingelser, en oppgave som i dag utover selv CERN ‘ s Large Hadron Collider, den mest muskuløse partikkel smasher vi har.
Mellomtiden, QCD er fortsatt en utrolig vanskelig tvinge til å gjøre beregninger med bare på sine egne., Utallige sterk-styrke samspillet mellom kvarker og gluoner innen partikler som protoner og nøytroner kan bare behandles av approksimasjoner, i en teknikk kjent som gitter QCD. Det er en grunn til hvorfor noen ganske grunnleggende sterk-force fakta, for eksempel hvor stort et proton er, er fortsatt svært omstridt.