Вртоглави низ честица, сила и поља диктирају субатомску основу за све што видимо.
Паул Суттер је астрофизичар са Државног универзитета у Охају и главни научник у научном центру ЦОСИ. Суттер је такође домаћин "Питајте свемира" и "Свемирског радија" и води АстроТоурс широм света. Суттер је овај чланак допринео стручним гласовима Спаце.цом-а: Оп-Ед & Инсигхтс.
Да бисте посетили заиста чудну земљу пуну чуда и мистерије, не морате се провући кроз чаробни ормар, возити летеће створење које не би требало да буде у стању да лети или скаче безобзирно кроз портал у другу димензију. Не, све што требате учинити је да отворите акцелератор честица и погледате доле, доле, доле.
На субатомском нивоу, истинска разноликост и сјај природе је у пуном приказу, са вртоглавим низом честица, сила и поља која се врте и врте се око њих, а управљају их готово неупадљиви закони физике. Ипак, некако, уместо да стварају хаотични неред, све њихове компликоване интеракције стварају редован, уредан, узоркован макроскопски свет који смо упознати. [Чудни кваркови и муони, о мој! Природе најцјепљеније честице сециране (Инфограпхиц)]
Може се разумети тај малени свет подељен у строгу хијерархију, са јасним линијама између владара и владајућих, између оних који удобно седе у својим стабилним дворцима и ниско сељака који у ствари обављају посао. Интеракције међу разним становницима су постављене у камену непроменљивим правилима: Постоји место за све, и свако има место.
Дођи, посетимо.
Добро је бити краљ
У средишту су све најмасовније стабилне честице: кваркови према горе и доле. Њихова дуговечност омогућава им да се споје у скоро неупадљиве тврђаве: нуклеонске замке познате као протони и неутрони. Али одржавање самих ових нуклеонских цитадела нису сами кваркови. Заиста, комбинована маса свих кваркова у нуклеону је далеко мања од масе протона или неутрона.
Уместо тога, горњи и доњи кваркови су прожета посебном способношћу која није позната осталим честицама у царству. Могу да осете јаку нуклеарну силу. То је далеко најмоћнија сила која тако снажно залијепи кваркове да се нити један није могао изоловати. Та интеракција формира невидљиву окосницу нашег макроскопског света. Протоне и неутроне узимамо здраво за готово - тако солидно граде зидове замка. А њихове масе су углавном последица снаге њихових унутрашњих нуклеарних веза, а не појединачних кваркова.
Јака нуклеарна сила се не зауставља на нивоу протона и неутрона. Лепак који повезује кваркове и даје им доминацију над свим осталим честицама, толико је доминантан да може сакупити неколико ових двораца у чврсту тврђаву познату као атомско језгро. Иако ова структура није неупадљива као што су протони и сами неутрони, превртање језгра и даље захтева огроман напор.
Ипак, за сву њихову доминативну моћ, досег виле квадрата ограничен је на њихов одређени дворац и околно окружење. То је зато што је јака сила, свом снагом, јако ограничена у домету. То је оно што одређује величину тврђава, двораца и држи да смо идентификовани као нуклеони нашег света. [7 чудних чињеница о кварковима]
Тоилинг поља
Преко ограниченог домета, кваркови проверавају своје домене и комуницирају један с другим преко краљевских гласника - фотона. Ови брзи изасланици скачу са места у место у свемиру, никад напорни, носећи електромагнетну силу - електрицитет, магнетизам, па чак и саму светлост - на било коју честицу која има електрични набој. Тај се утицај протеже у целом космосу, мада је, наравно, што сте даље од извора, слабији је ефекат.
Ово електромагнетско везивање држи подмлатке субатомског света у линији, и док кваркови проводе дане у празном ходу у релативној удобности својих сигурних и осамљених замака, оборени „сељаци“ - електрони - раде сав посао стварања богатих варијација могућих хемијских реакција То је тачно - то су сиромашни, незнатни електрони који робовају својим господарима кваркова. Везан за језгро електромагнетизмом - али обично спречен да се заиста уђе по правилима квантне механике - електрони се размењују међу атомима, што нам омогућава хемију која омогућава готово све о нашем свакодневном животу.
Владајући кваркови ће срећом трговати, красти и позајмљивати понизни електрон из суседног домена, обликујући своје покрете тешком руком из фотона - без бриге о њиховим појединачним надама, сновима или амбицијама (слободно струје свемиром, вијугајући око магнетних поља и тако даље).
Вреба се у сенци
Али нису све честице у свемиру задржане испод палца деспотских кваркова. Неки могу слободно да лете кроз свемир, не осетивши јаку силу и сигурно занемарујући приличне бљештаве било које пролазеће фотоне: неутрине. Ове сабласне честице се могу сакрити у видокругу, тако сјајне да смо деценијама мислили да су потпуно безмасне.
Неутринови се испоручују у три врсте, електро-неутрино, муонско-неутрино и тау-неутрино, али толико су добро прикривени да никада нисте сигурни кога гледате. Док путују, могу се кретати кроз маске које носе, мењајући свој идентитет лакоћом искусног шпијуна. Њихове маске одређују како (повремено) комуницирају са остатком честица у свемиру: На пример, електро-неутрино ће учествовати само у реакцијама које укључују електроне.
Али због несташне природе неутрина, процес који ствара одређени укус ове честице не може се увек покренути обрнуто да би се поново ухватио првобитни разноликост - то је промењени идентитет.
Ипак, упркос свим њиховим триковима и подвалама, неутрини нису имуни на утицај из домена кваркова. Али да би се такав ефекат догодио, потребне су специјалне снаге. Стручне честице зване В и З бозони, носиоци слабе нуклеарне силе, једини су у стању да комуницирају са неравним неутринама. У неким случајевима, бозони успевају да претворе неутрине у бића која су више у складу, попут електрона.
Чак и тада, то је срећна шанса: Већину времена лукави неутрини побегну од бебе.
Али скуп вештина тих В и З бозона, тајних црно-опских бораца света честица, шири се даље од само ретког неутриног сусрета. Такође имају скоро ексклузиван приступ унутрашњој светињи нуклеон тврђаве и могу променити једну врсту кварка у другу. Ако неутрон побјегне из сигурности атомског језгра, ови специјални бозони могу ту честицу трансформисати у стабилнији протон.
Изван царства
Наравно, то не даје потпуну слику субатомског света. Цео стандардни модел, наш портрет тих сићушних створења и све њихове интеракције са заузетим телима много је већи и сложенији него што може бити садржан у неколико одломака. Иако је стандардни модел тријумф модерне физике, болно запетљане деценијама, уз захтевна предвиђања и прецизне експерименте, такође је непотпуна слика нашег света.
За једну, она не укључује гравитацију, коју тренутно најбоље описује такође непотпуна општа теорија релативности. Постоје и космолошка питања природе тамне материје и тамне енергије, о којима традиционални стандардни модел ћути (јер су ти феномени тек недавно откривени). Има још: маса неутрина, хијерархија сила и тако даље.
Али иако је далеко од комплетног и можда мало незадовољавајућег у свом приступу жвакаћих гума и трака за моделирање физичког света, Стандардни модел је невероватно користан. Са запањујућом тачношћу може предвидјети покрете и покрете тих субатомских депозита и све њихово гадно цртање.
Сазнајте више преслушавањем епизоде "Ко живи у зоолошком врту са честицама?" у подкасту "Питај свемирског", доступан на иТунес-у и на веб локацији хттп://ввв.аскаспацеман.цом. Хвала Алессандро М., Рогер, Мартин Н., Даниел Ц. и @ПоЗокхр на питањима која су довела до овог дела! Поставите своје питање на Твиттеру користећи #АскАСпацеман или пратећи Паул @ПаулМаттСуттер и фацебоок.цом/ПаулМаттСуттер.
