autor: Richard Webb
pytanie: kiedy silna siła nie jest silną siłą? Odpowiedź: gdy jest gdziekolwiek poza jądrem atomowym. Tak przynajmniej jest z silną siłą jądrową, jedną z czterech podstawowych sił natury (Pozostałe to elektromagnetyzm, grawitacja i słaba siła jądrowa).
silna siła utrzymuje razem kwarki, podstawowe cząstki, które tworzą protony i neutrony jądra atomowego, a następnie utrzymuje razem protony i neutrony, tworząc jądra atomowe., Jako taki jest odpowiedzialny za podstawową stabilność materii. Jego ogromna moc jest również tym, co jest uwalniane w procesie fuzji jądrowej w słońcu, lub rozszczepienia jądrowego w bombie jądrowej.
w skali subatomowej około 1 femtometru, czyli 10-15m , jest zdecydowanie najsilniejsza z czterech sił, 137 razy silniejsza od elektromagnetyzmu i milion razy silniejsza od oddziaływania słabego. (Grawitacja jest tak słaba, że jest zupełnie nieistotna w tych skalach.) Fakt, że jest nieistotny w większych skalach, jest paradoksalnym efektem dziwacznego daru silnej siły., Foton, który transmituje siłę elektromagnetyczną, nie ma ładunku elektrycznego, ale cząstki znane jako gluony, które przenoszą silną siłę, przenoszą równoważny „ładunek barwny”o dużej sile. W związku z tym uczestniczą we własnej sile i mogą wchodzić w interakcje z sobą.
wynik jest taki, że podczas gdy elektromagnetyzm słabnie, gdy naładowane elektrycznie cząstki są dalej od siebie, jeśli spróbujesz przyciągnąć kwarki i gluony, które je łączą, siła między nimi rośnie i ping them back together., Zjawisko to, znane jako swoboda asymptotyczna, oznacza, że efekty silnej siły nigdy nie są odczuwalne powyżej pewnej skali długości. Wyjaśnia również, dlaczego ani kwarki, ani gluony nie mogą mieć samodzielnego istnienia. Pojawiają się one tylko jako część większych cząstek kompozytowych, takich jak protony i neutrony.
Reklama
istnieje cała menażeria takich cząstek, powstałych z kombinacji sześciu typów, czyli „smaków” kwarków – góra, dół, dziwny, urok, dół i Góra – plus ich równoważne antycząstki., O tym, które kombinacje kwarków są dozwolone, decydują dwie dalsze komplikacje.
Po pierwsze, kwarki przenoszą nie tylko ładunek barwny, ale także ładunek elektryczny ułamka liczby całkowitej: +2/3 (kwarki górne, kwarki górne i górne), -1/3 (kwarki dolne, kwarki dziwne i dolne), -2 / 3 (antykwarki górne, kwarki górne i górne) lub +1/3 (antykwarki dolne, kwarki dziwne i dolne). Cząstki złożone składające się z kwarków mają jednak tylko całkowity ładunek elektryczny. Po drugie, nie ma tylko jednego rodzaju ładunku kolorowego, jak jest z ładunkiem elektrycznym, ale trzy: czerwony, zielony i niebieski., Kwarki w cząsteczkach mogą zmieniać kolor, o ile zachowują ogólną równowagę między kolorami.
wynik netto tego wszystkiego jest taki, że istnieją tylko dwa żywotne rodzaje kompozytu kwarków: bariony, utworzone z trzech kwarków (i ich równoważne antybariony, utworzone z trzech antykwarków); i mezony, które są parami kwark-antykwark.,
proton i neutron, jedyne cząstki o silnej sile, które mają znaczną trwałość w naszym obecnym świecie, są zarówno barionami, z konfiguracjami kwarków (UUD) dla protonu, z jego ładunkiem elektrycznym +1; i (udd) dla neutronu, co powoduje całkowity neutralny ładunek elektryczny. Różnica w konfiguracji oznacza również, że neutron jest nieco cięższy od protonu. Fakt ten oznacza, że proton, o ile ktoś wie, nie rozpada się – podstawowy warunek stabilności materii atomowej, a więc i naszego istnienia.,
model kwarku został opracowany przez fizyków Murray Gell-Mann i George Zweig niezależnie we wczesnych latach 60. (nazwa „quark” była nonsensownym słowem z Finnegans Wake Jamesa Joyce ' a, że Gell-Mann przypadkiem lubił dźwięk). Jego podstawowe wzory wyjaśniały obfitość cząstek o różnych masach, które pojawiały się w eksperymentach akceleratora pozornie bez powodu i rymu w tym czasie., W 1973 roku David Gross i Frank Wilczek oraz niezależnie David Politzer odkryli kluczową właściwość asymptotycznej wolności, która leży u podstaw chromodynamiki kwantowej, czyli QCD, kwantowej teorii pola silnej siły – za co wszyscy trzej otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2004 roku.
QCD jest jedną z dwóch teorii pola kwantowego, obok elektrodynamiki kwantowej lub QED, zunifikowanej teorii elektromagnetyzmu i słabej siły jądrowej, które razem tworzą luźne skojarzenie znane jako standardowy model fizyki cząstek elementarnych., Pozostaje wielką nadzieją fizyków, że QCD i QED kiedyś same się połączą w jedną teorię. Uważa się, że electraweak i silne siły działały jak jedno w niewiarygodnie gorących wczesnych momentach wszechświata. Znalezienie dowodów na istnienie tej „wielkiej Zjednoczonej teorii” wymagałoby odtworzenia tych wysokoenergetycznych warunków, które obecnie wykraczają poza Wielki Zderzacz Hadronów CERN, najbardziej umięśniony rozbijacz cząstek, jaki mamy.
, Niezliczone oddziaływania silnych sił między kwarkami i gluonami w cząstkach takich jak protony i neutrony mogą być rozpatrywane tylko w przybliżeniu, w technice znanej jako siatka QCD. Jest to jeden z powodów, dla których niektóre dość podstawowe fakty o silnej sile, takie jak to, jak duży jest proton, pozostają bardzo sporne.