Это то, что удерживает ядра в атомах вместе, преодолевая электрическое отталкивание. Но как это работает?
«Я обнаружил, что могу говорить с помощью цветов и форм слова, которые не мог бы выразить иначе - вещи, для которых у меня не было слов». - Джорджия О’Киф
Когда дело доходит до Вселенной, важно не только то, что в ней находится. Конечно, когда дело доходит до того, из чего все состоит, вы хотите знать о ядрах и электронах, а также о том, из чего состоят эти ядра, фотоны и любые другие частицы, которые можно создать.
Но если вы хотите по-настоящему понять это, простое знание того, что в нем, само по себе далеко не уйдет. Это также то, как все эти вещи взаимодействуют друг с другом и со всем остальным. Насколько нам известно, во Вселенной существуют четыре фундаментальные силы, и все они абсолютно необходимы для нашего существования.
Некоторые из них знакомы, например гравитация. В самых больших масштабах Вселенной гравитация является не только самой важной силой, но, возможно, единственнойважной силой в игре. Количество массы и энергии, присущих объектам, определяет, как искривляется само пространство-время, а это искривление пространства-времени, в свою очередь, определяет, как объекты движутся и ускоряются.
Не существует «антимассы» или «антиэнергии», которые заставляют одни объекты гравитационно отталкиваться, а другие притягиваться. Гравитация всегда притягивает, и мы можем интерпретировать массу/энергию как единственный тип гравитационного заряда, если захотим.
Но другие силы и взаимодействия могут быть более сложными, чем гравитация в этом отношении. Возьмем, к примеру, электромагнитное взаимодействие или силы, возникающие при исследовании заряженных частиц.
Вместо одного типа заряда, когда подобное притягивает подобное, мы имеем два типа электрического заряда: положительный и отрицательный, где одинаковые заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Это сильно отличается от гравитации и несколько сложнее, но есть некоторые приложения, которые должны показаться очень знакомыми. В конце концов, мы необычайно используем эту функцию практически во всем, что делаем на Земле.
Нейтральный атом, например, является хорошим примером электромагнетизма, когда вокруг положительно заряженного ядра вращается рой отрицательно заряженных электронов. Электроны отталкиваются друг от друга, но еще больше притягиваются к ядру. Пока общий заряд атома равен нулю и нет достаточно сильного внешнего излучения, атом будет оставаться устойчивым и нейтральным. Это фундаментальный строительный блок всего живого и неживого в нашем мире.
Мы даже понимаем, на фундаментальном квантовом уровне, как это работает. Притяжение и отталкивание между всеми заряженными частицами осуществляется одной и той же частицей: фотоном.
Требуется всего одна частица, чтобы позаботиться как о притяжении, так и о отталкивании, из-за относительно простой структуры - два заряда, подобное-отталкивает-подобное и противоположности притягиваются - электромагнетизма. Но все становится намного сложнее, если мы заглянем внутрь ядра и спросим, как на фундаментальном уровне эти крошечные заряженные структуры удерживаются вместе.
Ядро атома, конечно же, состоит из протонов и нейтронов, за исключением водорода, который сам по себе является просто протоном. Но, учитывая, что протоны имеют положительный электрический заряд, а нейтроны вообще не имеют электрического заряда, должна существовать какая-то дополнительная сила - сила даже более сильная, чем электромагнитная сила - , чтобы удерживать эти ядра вместе. В противном случае все, что состоит из более чем одного протона (все, кроме водорода), разорвется на части.
На самом деле сильное взаимодействие с творческим названием требуется, чтобы удерживать вместе даже отдельные протоны и нейтроны. Потому что протон и нейтрон сами по себе не фундаментальны, а состоят из еще меньших частично заряженных частиц, известных как кварки.
Электрические силы внутри протона, например, заставили бы само ядро разлететься на части, если бы к каждому из этих кварков не присоединялся другой тип заряда: помимо электрического заряда, они также обладают цветовым зарядом, который бывает не одного типа (как гравитация) и не двух (как электромагнетизм), а три
Только в отличие от гравитации и электромагнетизма, вы не можете просто отключить цветовой заряд: вам нужны красный, зеленый и синий вместе, чтобы в сумме получить «бесцветный», точно так же, как красный, зеленый и синий свет вместе составляют белый цвет.
Так же, как есть материя и антиматерия, есть кварки и антикварки, а значит, есть цвета (красный, зеленый и синий) и антицвета: голубой - антикрасный, пурпурный - антикрасный. анти-зеленый, а желтый - анти-синий. Таким образом, чтобы сложить «бесцветный», вам нужно либо три кварка (или три антикварка), либо один кварк и один антикварк.
Немного странно: если красный + зеленый + синий дают белый, но красный + анти-красный тоже дает белый, значит ли это, что зеленый+синий - это то же самое, что и анти-красный? Да, да, по крайней мере с точки зрения цвета. Это означает, что вы можете соединить кварк либо с двумя другими кварками, либо с антикварком, либо, возможно, даже с тремя другими кварками и одним антикварком. Пока цвет получается белым (или бесцветным), вы в деле.
И вот почему у вас могут быть комбинации из трех кварков, таких как протоны и нейтроны, или комбинации одного кварка и одного антикварка, такие как мезоны. Но в отличие от гравитации, искривляющей пространство-время, или электромагнетизма, при котором происходит обмен фотонами (без заряда), сильное взаимодействие работает путем обмена частицами нового типа глюона , которые несут как цвет, так и антицвет!
Эти глюоны отвечают за удержание вместе как отдельных частиц - таких как протоны, нейтроны и пионы - , так и за связывание более крупных атомных ядер вместе.
Как это работает? Имея три цвета (красный, зеленый и синий) и три антицвета (антикрасный=голубой, антизеленый=пурпурный и антисиний=желтый), вы можете подумать, что существует девять типов глюонов, которые вы можете получить. от сопоставления каждого цвета с каждым антицветом. Это хорошая первая мысль, и она почти верна.
Представьте, что вы красный кварк, испускающий красный/антизеленый глюон. Вы собираетесь превратить красный кварк в зеленый кварк, потому что так сохраняется цвет, а затем этот глюон найдет зеленый кварк и сделает его красным. Таким образом меняются цвета.
Это оказывается хорошим объяснением шести глюонов: красный/анти-зеленый, красный/анти-синий, зеленый/анти-красный, зеленый/анти-синий, синий/анти- красный и синий/антизеленый.
Но как насчет остальных: там тоже должны быть красный/антикрасный, зеленый/антизеленый и синий/антисиний, верно?
Почти, оказывается. Поскольку у каждого из них нет собственного цвета, эти квантовые состояния могут смешиваться друг с другом. В квантовой физике, когда смешивание не запрещено, оно происходит, и это происходит всякий раз, когда любые теоретические системы имеют одинаковые квантовые числа, как в данном случае. Таким образом, вместо «чистых» состояний красный/анти-красный, зеленый/анти-зеленый и синий/анти-синий вы получаете смесь состояний красного/анти-красного, зеленого/анти-зеленого и синего/анти-синего.
Но один из них - тот, который представляет собой равную смесь всех трех пар цвет/антицвет - , действительно бесцветен и физически не существует. Итак, физических глюонов всего восемь. (Настоящая математика исходит из теории групп SU(3), если вам интересно узнать строгое объяснение.)
И именно обмен этими глюонами между кварками и антикварками удерживает протоны, нейтроны, мезоны, барионы и все другие атомные ядра вместе. Вот почему, если вы попытаетесь разорвать любые два кварка или антикварка, требуемая энергия возрастет, в конечном итоге достигнув точки, когда вы просто вытащите пару частица/античастица из вакуума, создавая при этом дополнительные частицы.
Сильные взаимодействия - это гораздо больше, чем то, что я описал здесь, и если вы хотите углубиться, я рекомендую эту прогулку лауреата Нобелевской премии Фрэнка Вильчека. Делаете вы это или нет, сильное взаимодействие - это то, что удерживает каждое атомное ядро вместе; без него мы были бы просто безжизненным морем элементарных частиц, слишком отталкивающих, чтобы хоть как-то сцепляться друг с другом, и неспособных создавать какие-либо элементы, кроме водорода, во всей Вселенной.
Никакие звезды никогда не сияли бы, не образовывались сложные молекулы, и нигде во Вселенной не было бы каменистой планеты: только глыбы газа и огромные пустые пустоты.
И тем не менее, вот мы здесь, гораздо больше, чем просто космический суп, с галактиками, звездами, планетами, тяжелыми элементами, молекулами, жизнью, а также с вами и со мной. Это сильнейшая сила во Вселенной, и мы обязаны ей всем интересным в нашем существовании. Без него все это было бы невозможно.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!