מערך מסחרר של חלקיקים, כוחות ושדות מכתיב את הבסיס התת אטומי לכל מה שאנחנו רואים.
פול סוטר הוא אסטרופיסיקאי מאוניברסיטת אוהיו ומדען הראשי במרכז המדע COSI. סאטר מארח גם את "שאלו חלל" ו"רדיו החלל ", ומוביל את AstroTours ברחבי העולם. סאטר תרם מאמר זה לקולות המומחים של Space.com: Op-Ed & Insights.
כדי לבקר בארץ מוזרה באמת, מלאת פליאה ומסתורין, אינך צריך להתגנב בארון קסום, לרכוב על יצור מעופף שלא אמור להיות מסוגל לעוף או לקפוץ בפזיזות דרך פורטל למימד אחר. לא, כל שעליכם לעשות הוא לפתוח את מאיץ החלקיקים ולהסתכל למטה, מטה, מטה.
ברמה התת אטומית, המגוון האמיתי וההדר של הטבע מוצג במלואו, עם מערך מסחרר של חלקיקים, כוחות ושדות שכולם מסתחררים ומסתחררים, הנשלטים על ידי חוקים פיזיקלים כמעט בלתי ניתנים לערעור. עם זאת, איכשהו, במקום ליצור בלגן כאוטי, כל האינטראקציות המסובכות שלהם מייצרות את העולם המקרוסקופי המעוצב, המסודר, שאנו מכירים. [קווארקים ומוזונים מוזרים, אוי! החלקיקים הזעירים ביותר של הטבע מנותקים (אינפוגרפיק)]
אפשר להבין את העולם הזעיר ההוא המופרד להיררכיה קפדנית, עם קווים ברורים בין השליטים לשלטון, בין אלה שיושבים בנוחות בטירות היציבות שלהם לבין האיכרים השפלים שבאמת משיגים את העבודה. האינטראקציות בין התושבים השונים נקבעות באבן על פי כללים בלתי ניתנים לשינוי: יש מקום לכולם, ולכולם מקום.
בואו, בואו לבקר.
טוב להיות המלך
במרכזו כל החלקיקים היציבים המסיביים ביותר: הקווארקים העולים והמורדים. תוחלת החיים שלהם מאפשרת להם להיקשר למבצרים כמעט בלתי ניתנים להדבקה: טירות נוקלאון המכונות פרוטונים ונויטרונים. אבל זה לא הקווארקים עצמם שעושים את העבודה על תחזוקת המצודות הגרעיניות הללו. אכן, המסה המשולבת של כל הקווארקים בגרעין קטנה בהרבה מהמסה של פרוטון או נויטרון.
במקום זאת, הקווארקים למעלה ולמטה חדורים ביכולת מיוחדת שלא ידועה לחלקיקים האחרים בתחום. הם יכולים להרגיש את הכוח הגרעיני החזק. זהו ללא ספק הכוח החזק ביותר, הדבק את הקווארקים בצורה כה אינטנסיבית עד שאף פעם לא ניתן לראות בודד. אינטראקציה זו מהווה את עמוד השדרה הבלתי נראה של העולם המקרוסקופי שלנו. אנו לוקחים פרוטונים ונויטרונים כמובנים מאליהם - כך הם בונים באופן יציב את קירות הטירה שלהם. והמוניהם נובעים בעיקר מחוזקם של האג"ח הגרעינית הפנימית שלהם, ולא מהקווארקים האישיים.
הכוח הגרעיני החזק אינו נעצר ברמת הפרוטונים והנויטרונים. הדבק שקושר את הקווארקים יחד, נותן להם שליטה על כל החלקיקים האחרים, הוא כה דומיננטי שהוא יכול לאסוף כמה מהטירות הללו יחד למבצר יציב המכונה גרעין אטומי. בעוד שמבנה זה אינו ניתן להידבק כמו הפרוטונים והנויטרונים עצמם, הפלת גרעין עדיין דורשת מאמץ אדיר.
עם זאת, עבור כל כוחם השולט, טווח האחיזה של הסמלים הקווארקים מוגבל לטירה הספציפית שלהם וסביבתה. הסיבה לכך היא שהכוח החזק, על כל כוחו, מוגבל מאוד בטווחים. זה מה שקובע את גודל המבצרים, הטירות והשמורות שאנו מזהים כגרעינים של עולמנו. [7 עובדות מוזרות על קוורקים]
עמל בשדות
מעבר לטווח המצומצם הזה, הקווארקים שומרים על התחומים שלהם בבדיקה ומתקשרים זה עם זה דרך המסרים המלכותיים - הפוטונים. אותם שליחים מהירים רגליים מזנקים ממקום למקום ביקום, לעולם לא מעייפים, נושאים את הכוח האלקטרומגנטי - חשמל, מגנטיות ואפילו אור עצמו - לכל חלקיק שיש לו מטען חשמלי. השפעה זו משתרעת על פני כל הקוסמוס, אם כי כמובן שככל שאתה רחוק יותר מהמקור, כך ההשפעה חלשה יותר.
הכריכה האלקטרומגנטית הזו שומרת על קו תחתיהם של העולם התת-אטומי, ובעוד שהקווארקים מבלים את ימיהם בבטלה בנוחות היחסית של שומרי הטירה המאובטחים והמבודדים שלהם, "איכרים" מבולבלים - אלקטרונים - עושים את כל העבודה כדי להפוך את הווריאציות העשירות של תגובות כימיות אפשריות. נכון מאוד - אלה האלקטרונים המסכנים, המבויישים, שמשפחים עבור אדוני הקווארקים שלהם. כרוך בגרעין על ידי אלקטרומגנטיות - אך לרוב מונע מלהיכנס בפועל לפי כללי מכניקת הקוואנטים - אלקטרונים מוחלפים בין אטומים, מה שמאפשר לנו את הכימיה שמאפשרת כמעט כל דבר בחיי היומיום שלנו להיות אפשרי.
הקווארקים השולטים יסחרו בשמחה, יגנבו ויישאלו אלקטרון צנוע מתחום סמוך, יעצבו את תנועותיהם בעזרת דחיפת כבד מהפוטונים - בלי לדאוג לתקוותיהם, חלומותיהם או שאיפותיהם האישיים (שיטשטו בחופשיות ביקום, יתפתלו סביב מגנטיים שדות וכן הלאה).
אורב בין הצללים
אך לא כל החלקיקים ביקום מוחזקים תחת אגודל הקווארקים הזלזול. חלקם יכולים לזרום בחופשיות ברחבי היקום, לא לחוש בכוח החזק ולהתעלם בבטחה מבוהקים גסיים מכל פוטונים חולפים: הנייטרינים. החלקיקים הרפאים האלה יכולים להסתיר את עצמם באופק פשוט, כה עוצמתי עד שבמשך עשרות שנים חשבנו שהם חסרי המונים לחלוטין.
נייטרינו מגיע בשלושה סוגים, האלקטרונים-נייטרינו, המואון-נייטרינו וטאו-נייטרינו, אבל הם כל כך מוסווים שאתה אף פעם לא בטוח באיזה מהם אתה צופה. תוך כדי נסיעה הם יכולים להסתובב בין המסכות שהם לובשים, להחליף את זהותם בקלות של מרגל מנוסה. המסכות שלהם קובעות כיצד הם (מדי פעם) מתקשרים עם שאר החלקיקים ביקום: אלקטרונים-נייטרינו ישתתף רק בתגובות בהן מעורבים אלקטרונים, למשל.
אבל בגלל אופיו השובב של הנייטרינים, לא תמיד ניתן להפעיל תהליך שמייצר טעם מסוים של החלקיק הזה בכיוון ההפוך כדי לתפוס שוב את הזן המקורי - זה זהויות מנותקות.
ובכל זאת, למרות כל הטריקים והתת-מזונות שלהם, הנייטרינים אינם חסינים מפני השפעה מתחומי הקווארקים. אבל כדי שהסוג הזה יתרחש, הכוחות המיוחדים נדרשים. חלקיקים מומחים המכונים בוסונים W ו- Z, נשאים של הכוח הגרעיני החלש, הם היחידים שמסוגלים לתקשר עם הנייטרינים הרוגים. במקרים מסוימים, בוזונים מצליחים להמיר נייטרינים ליצורים תואמים יותר, כמו אלקטרונים.
אפילו אז, זהו סיכוי מזל: רוב הזמן, הנייטרינים המטונפים מתרחקים ללא סקוטים.
אבל מערך המיומנות של אותם בוסוני W ו- Z, לוחמי ה- Black-ops הסודי של עולם החלקיקים, משתרע רחוק יותר מאשר רק במפגש הנייטרינו השכיח. יש להם גם גישה כמעט בלעדית לקידום הפנימי של מבצר נוקלאון ויכולים לשנות סוג אחד של קווארק לסוג אחר. אם נויטרון יברח מביטחון גרעין אטומי, הבוזונים המיוחדים הללו יכולים להפוך את החלקיק הזה לפרוטון יציב יותר.
מחוץ לתחום
כמובן, זה לא נותן את התמונה המלאה של העולם התת-אטומי. כל המודל הסטנדרטי, הדיוקן שלנו של אותם יצורים זעירים וכל האינטראקציות שלהם עם אנשים עסוקים הוא הרבה יותר גדול ומורכב מכפי שניתן להכיל בכמה פסקאות. ואף על פי שהמודל הסטנדרטי הוא ניצחון של הפיזיקה המודרנית, טופחים יחדיו בכאב לאורך עשרות שנים, עם תחזיות מדויקות וניסויים מדויקים, גם זו תמונה לא שלמה של עולמנו.
ראשית, זה לא כולל כוח משיכה, שכרגע הוא הכי מתואר על ידי תיאוריית היחסות הכללית הלא-שלמה. ישנן גם השאלות הקוסמולוגיות המתעכבות לגבי טבע החומר האפל והאנרגיה האפלה, עליהן שותק המודל הסטנדרטי המסורתי (מכיוון שתופעות אלה התגלו רק לאחרונה). יש עוד: המסה של הנייטרינו, ההיררכיה של הכוחות וכן הלאה.
אך בעוד שהוא רחוק מלהיות שלם, ואולי מעט לא מספק את גישתו של קלטת לעיסה וחניכיים לדוגמנות העולם הפיזי, מודל הסטנדרט שימושי להפליא. הוא יכול לחזות ברמת דיוק מדהימה את תנועותיהם ותנועותיהם של אותם תושבים תת-אטומיים ואת כל התזמורת המצערת שלהם.
למידע נוסף על ידי האזנה לפרק "מי חי בגן החיות החלקיק?" בפודקאסט "שאלו חלל", זמין ב- iTunes ובאינטרנט בכתובת http://www.askaspaceman.com. תודה לאלסנדרו מ ', רוג'ר, מרטין נ', דניאל סי ו- @ Pozokhr על השאלות שהובילו ליצירה הזו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או על ידי עקוב אחר פול @PaulMattSutter ו- facebook.com/PaulMattSutter.
