av Richard Webb
fråga: när är en stark kraft inte en stark kraft? Svar: när det är någonstans utanför atomkärnan. Det är åtminstone fallet med den starka kärnkraften, en av fyra grundläggande naturens krafter (de andra är elektromagnetism, gravitation och den svaga kärnkraften).
den starka kraften håller ihop kvarkar, de grundläggande partiklarna som utgör atomkärnans protoner och neutroner och håller vidare protoner och neutroner för att bilda atomkärnor., Som sådan är den ansvarig för materiens underliggande stabilitet. Dess enorma kraft är också vad som släpps i processen med kärnfusion i solen, eller kärnklyvning i en atombomb.
på subatomiska skalor av ca 1 femtometre , eller 10-15m, är det överlägset den starkaste av de fyra krafterna, 137 gånger starkare än elektromagnetism, och en miljon gånger starkare än den svaga interaktionen. (Gravitationen är så svag att den är helt irrelevant på dessa skalor.) Det faktum att det är obetydligt på större skalor är den paradoxala effekten av en udda stark kraft quirk., Fotonen, som överför den elektromagnetiska kraften, har ingen elektrisk laddning, men partiklarna som kallas gluoner som överför den starka kraften bär motsvarande starkkraft ”färgladdning”. De deltar därför i sin egen kraft och kan interagera med sig själva.
resultatet är att, medan elektromagnetism blir svagare när elektriskt laddade partiklar är längre ifrån varandra, om du försöker dra kvarkar och gluonerna som binder dem ifrån varandra, blir kraften mellan dem starkare och slår dem ihop igen., Detta fenomen, känt som asymptotisk frihet, innebär att starka effekter aldrig känns över en viss längdskala. Det förklarar också varför varken kvarkar eller gluoner kan ha en fristående existens. De visas bara någonsin som en del av större kompositpartiklar, såsom protoner och neutroner.
annons
det finns en hel menageri av sådana partiklar, som bildas av kombinationer av sex typer, eller ”smaker” av kvarkar – upp, ner, konstigt, charm, botten och topp – plus deras motsvarande antipartiklar., Vilka kombinationer av kvarkar är tillåtna bestäms av ytterligare två komplikationer.
först, kvarkar bär inte bara färgladdning, men också en elektrisk laddning av en bråkdel av ett heltal: + 2/3 (upp, charm och topp kvarkar), -1/3 (ner, konstigt och botten kvarkar), -2/3 (upp, charm och topp antiquarks) eller +1/3 (ner, konstigt och botten antiquarks). Kompositpartiklar som består av kvarkar får dock endast ha heltal elektrisk laddning. För det andra finns det inte bara en typ av färgladdning, eftersom det finns med elektrisk laddning, men tre: röd, grön och blå., Kvarkarna inom partiklar kan ändra färg så länge de sparar en total balans mellan färger.
nettoresultatet av allt detta är att det bara finns två livskraftiga typer av kvarkkompositer: baryoner, bildade av tre kvarkar (och deras motsvarande antibaryoner, bildade av tre antiquarks); och mesons, som är kvark-antiquarkpar.,
proton och neutron, de enda starka partiklarna som har mycket av en permanent existens i vår nuvarande värld, är båda baryoner, med quark-konfigurationerna (UUD) för proton, med sin elektriska laddning +1; och (udd) för neutronen, vilket resulterar i en övergripande neutral elektrisk laddning. Skillnaden i konfigurationer innebär också att neutronen är bara någonsin så något tyngre än proton. Detta faktum innebär att proton, såvitt någon vet, inte förfaller – en grundläggande förutsättning för stabiliteten i atommaterial, och så för vår existens.,
quark-modellen utformades av fysiker Murray Gell-Mann och George Zweig självständigt i början av 1960-talet (namnet ”quark” var ett nonsensord från James Joyces Finnegans vaknar att Gell-Mann råkade gilla ljudet av). Dess underliggande mönster förklarade en överflöd av partiklar av olika massor som poppade upp i accelerator experiment till synes utan rim eller anledning vid den tiden., 1973 upptäckte David Gross och Frank Wilczek, och oberoende David Politzer, den viktigaste egenskapen hos asymptotisk frihet som ligger till grund för kvantkromodynamiken, eller QCD, kvantfältteorin om den starka kraften – en prestation för vilken alla tre delade 2004 års Nobelpris i fysik.
QCD är en av två kvantfältteorier, tillsammans med kvantelektrodynamik eller QED, den enhetliga teorin om elektromagnetism och den svaga kärnkraften, som tillsammans utgör den lösa föreningen känd som standardmodellen för partikelfysik., Det är fortfarande ett stort hopp om fysiker att QCD och QED en dag själva kan förenas i en teori. Elektroväven och de starka krafterna tros ha fungerat som en i universums otroligt heta första ögonblick. Att hitta bevis på denna ”grand unified theory” skulle kräva att återskapa de mycket energiska förhållandena, en uppgift som för närvarande är bortom ens CERNs stora Hadron Collider, den mest muskulösa partikel smasher vi har.
under tiden är QCD fortfarande en djävulskt svår kraft att göra beräkningar med bara på egen hand., De otaliga starka kraftinteraktionerna mellan kvarkar och gluoner inom partiklar som protoner och neutroner kan endast hanteras av approximationer, i en teknik som kallas gitter QCD. Det är en anledning till att vissa ganska grundläggande starka fakta, som hur stor en proton är, förblir mycket omtvistade.