מה הופך את הכוח החזק למיוחד כל כך?

Send

פרוטון (חזית) מורכב משלושה קווארקים, שלכל אחד מהם מאפיין ייחודי הנקרא צבע. הם מוחזקים חזק על ידי הכוח הגרעיני החזק.

(תמונה: © המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי)

פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר מקומך ביקום. סאטר תרם את המאמר הזה ל קולות המומחים של Space.com: Op-Ed & Insights.

לכל ארבעת כוחות הטבע הידועים יש מקום ייחודי משלהם. כוח משיכה, אלקטרומגנטיות, גרעין חלש, גרעין חזק: כל אחד השולט בתחום כלשהו בחיינו. בעוד שההתנסויות היומיומיות שלנו נשלטות על ידי כוח המשיכה של כדור הארץ והאלקטרומגנטיות של מגנטים קלילים ומקררים, כוחות הגרעין התאומים ממלאים גם הם תפקידים מרכזיים - רק בסולמות זעירים מאוד.

כמה זעיר? דמיין את עצמך מתנפח כדי להפוך לגודל מערכת השמש. הידיים שלך שוחות דרך ענן אוורט עצמו, כוכבי הלכת מקננים מעל לחצן הבטן שלך. אתה כל כך גדול עד שלאות אות חשמלי לוקח שבועות ואף חודשים עד שמסעיהם עוברים דרך מערכת העצבים שלך, מה שהופך אפילו את המחוות הפשוטות לאיטיות.

זה ההבדל בין הגודל הנוכחי שלך (בערך כמה מטרים) לבין 10 ^ 15 מטר.

עכשיו, הפעל אותו הפוך. דמיין סולם כה קטן עד שגופך הנוכחי מרגיש עצום כמו מערכת השמש. סולם בו התנועות שלך צועדות בקצב האיטי ביותר. קנה המידה הזעיר להפליא הזה הוא מד המשטח: 10 ^ -15 מטר. זה קנה המידה של הגרעין האטומי.

לפרוטון

מהדרך למעלה, זה מפתה לחשוב על הפרוטון כחלקיק יחיד. קליפה קשה של מטען ומסה חיוביים, המסוגלת להקפיץ ולדפוק באותה קלות כמו כדור ביליארד. אך במציאות, פרוטון עשוי משלושה חלקיקים קטנים יותר. לחלקיקים האלה יש שמם מוזר להפליא של קווארקים. ישנם בסך הכל שישה סוגים של קווארקים בטבע, אך לצורך בדיקתנו הצמודה של הפרוטון אנו צריכים רק לדאוג לשניים מהם, הנקראים הקווארקים למעלה ולמטה.

כמו שאמרתי, פרוטון הוא שלישיית קווארקים: שני קווארקים למעלה ואחד קווארק למטה. הקווארקים הללו מתחברים כצוות, והצוות הכבוי הזה הוא מה שאנחנו מכנים פרוטון.

חוץ מזה, זה לא אמור להיות הגיוני.

לשני הקווארקים העליונים יש אותו מטען חשמלי בדיוק (מכיוון שהם אותו סוג של חלקיק בדיוק), ולכן עליהם לשנוא זה את זה לחלוטין. איך הם נשארים דבוקים כל כך חזק?

ויתרה מכך, אנו מכירים מכניקת הקוונטים ששני קווארקים אינם יכולים לחלוק את אותו מצב בדיוק - אי אפשר שיהיו שניים מאותו סוג קשורים זה לזה. אסור לאפשר לשני הקווארקים האלה להתקיים יחדיו ככה. ובכל זאת הם לא רק סובלים זה את זה, אלא נראה שהם ממש נהנים מהחברה!

מה קורה?

צבע שונה

בשנות החמישים והשישים החלו הפיזיקאים להבין שהפרוטון אינו מהותי - ניתן לפרק אותו לחלקים קטנים יותר. אז עשו כמה ניסויים ופיתחו חבורה של תיאוריות כדי לפצח את האגוז המסוים הזה. ומיד הם נתקלו ב א) קיומם של קווארקים וב) התנאים התמוהים שלמעלה.

משהו החזיק את שלושת הקווארקים האלה יחד. משהו ממש ממש חזק. כוח טבע חדש.

הכוח החזק.

הכוח החזק ההשערה דאז פתר את בעיות הקווארקים הדו-קיומיים על ידי כוח פשוט. אה, אתה לא אוהב להיות יחד כי אינך יכול לחלוק את אותה מדינה? ובכן, חבל שהכוח החזק יגרום לכם לעשות זאת בכל מקרה, והוא עומד לספק דרך לעקוף את הבעיה הזו.

ולכל כוח יש נקודת חיבור. וו. דרך לספר לכוח הזה כמה אתה מושפע ממנו. עבור הכוח האלקטרומגנטי זה המטען החשמלי. עבור כוח המשיכה זה המסה. עבור הכוח הגרעיני החזק, הפיזיקאים נאלצו למצוא וו חדש. דרך לקווארק להתחבר לקוואק אחר באמצעות אותו כוח. ופיזיקאים בחרו במילה צבע.

כך שאם יש לך או לחלקיק שאתה מכיר רכוש חדש זה שנקרא צבע, אז אתה מרגיש את הכוח הגרעיני החזק. הצבע שלך יכול להיות בצבע אדום, ירוק או כחול (באופן מבלבל יש גם אנטי אדום, אנטי ירוק ואנטי כחול, מכיוון שהחיים כמובן לא כל כך פשוטים). כדי לבנות חלקיק כמו פרוטון, כל צבעי הקווארקים צריכים להסתכם בלבן. כך נקבע קוורק אחד להיות אדום, והשני מוקצה להיות ירוק, והאחרון שהוקצה לו להיות כחול. הקצאת הצבע הספציפית לא ממש משנה (ולמעשה הקווארקים האישיים כל הזמן משנים את הצבע), מה שחשוב זה שכולם מסתכמים בלבן וכי הכוח החזק יכול לעשות את עבודתו.

מאפיין צבע חדש זה הוא המאפשר לקווארקים לחלוק מדינה בתוך פרוטון. עם צבע, אין שני קווארקים זהים לחלוטין - כעת יש להם צבעים שונים.

כוח סופר

תאר לעצמך לקחת שני צבת קטנה ולחטוף שניים מהקווארקים בפרוטון. אתה מסתדר, כך שתצליח להתגבר על כוחו של הכוח הגרעיני החזק המחזיק אותם יחד.

אבל הנה משהו מוזר בכוח החזק: הוא לא פוחת עם המרחק. כוחות אחרים, כמו כוח המשיכה והאלקטרומגנטיות, אכן עושים זאת. אבל הכוח החזק נשאר חזק כמו תמיד, לא משנה כמה רחוקים זה מזה.

אז כשאתה מושך את הקווארקים האלה אתה צריך להמשיך להוסיף עוד ועוד אנרגיה כדי לשמור על ההפרדה. בסופו של דבר אתה מוסיף אנרגיה כה רבה, עד שאנרגיה שקולה למסה וכל זה, חלקיקים חדשים מופיעים בוואקום שבין הקווארקים. חלקיקים חדשים כמו ... קווארקים אחרים.

הקווארקים החדשים האלה כמעט מוצאים את חבריהם החדשים שנפרדו זה מזה ומתקשרים זה בזה, זורקים את כל העבודה הקשה שלכם ומזיעים מבט אחד של אנרגיה לפני שהמרחק ביניהם אפילו מורגש. כשאתה חושב שהפרדת בין הקווארקים, הם כבר מצאו חדשים שאליהם ייקשר. השפעה זו מכונה כליאה של קווארק: הכוח החזק הוא למעשה כה מתנדנד עד שהוא מונע מאיתנו לראות אי פעם קווארק בבידוד.

חבל שלעולם לא נזכה לראות מה הצבע שלו.

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק "מה הופך את הכוח החזק לכל כך חזק?" בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב- iTunes ובאינטרנט בכתובת http://www.askaspaceman.com. תודה לקייאיי נ 'וטר ב' על השאלות שהובילו ליצירה זו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או על ידי עקוב אחר פול @PaulMattSutter ו- facebook.com/PaulMattSutter.