อะไรทำให้พลังที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ?

โปรตอน (เบื้องหน้า) ประกอบด้วยสามควาร์กแต่ละอันมีคุณสมบัติเฉพาะที่เรียกว่าสี พวกมันถูกกักขังไว้อย่างแน่นหนาด้วยพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง

(ภาพ: © Lawrence Berkeley National Laboratory)

Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของ ถามนักบินอวกาศ และ วิทยุอวกาศและผู้เขียนของ สถานที่ของคุณในจักรวาล. ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้ เสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights.

พลังธรรมชาติทั้งสี่ที่รู้จักกันมีสถานที่ที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง แรงโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า, นิวเคลียร์ที่อ่อนแอ, นิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง: แต่ละคนควบคุมอาณาเขตเล็ก ๆ น้อย ๆ ของชีวิตของเรา ในขณะที่ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเราถูกครอบงำด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกและแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงและแม่เหล็กติดตู้เย็นกองกำลังนิวเคลียร์คู่มีบทบาทสำคัญเช่นกัน - ในระดับที่เล็กมาก ๆ

เล็กแค่ไหน? ลองจินตนาการว่าตัวคุณกำลังพองตัวเพื่อกลายเป็นขนาดของระบบสุริยะ มือของคุณว่ายน้ำผ่าน เมฆออร์ต ตัวมันเองดาวเคราะห์ตั้งอยู่เหนือปุ่มท้องของคุณ คุณมีขนาดใหญ่มากที่สัญญาณไฟฟ้าใช้เวลาเป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือนในการเดินทางผ่านระบบประสาทของคุณทำให้ท่าทางที่เรียบง่ายที่สุดช้าลงอย่างเห็นได้ชัด

นั่นคือความแตกต่างระหว่างขนาดปัจจุบันของคุณ (ประมาณสองสามเมตร) และ 10 ^ 15 เมตร

ตอนนี้ทำงานในสิ่งที่ตรงกันข้าม ลองจินตนาการถึงเครื่องชั่งขนาดเล็กที่ร่างกายปัจจุบันของคุณรู้สึกกว้างใหญ่เท่ากับระบบสุริยะ สเกลที่การเคลื่อนไหวของคุณเคลื่อนไหวไปตามจังหวะที่ช้าที่สุด เกล็ดเล็ก ๆ อย่างเหลือเชื่อนี้คือ femtometer: 10 ^ -15 เมตร เป็นมาตราส่วนของนิวเคลียสอะตอม

เข้าไปในโปรตอน

จากทางขึ้นไปที่นี่มันดึงดูดให้คิดว่าโปรตอนเป็นอนุภาคเดี่ยว เปลือกแข็งที่มีประจุและมวลบวกสามารถกระดอนและกระแทกได้อย่างง่ายดายเหมือนกับลูกบอลบิลเลียด แต่ในความเป็นจริงโปรตอนนั้นทำมาจากอนุภาคขนาดเล็กสามตัว อนุภาคเหล่านี้มีชื่อแปลก ๆ อย่างน่าประหลาดใจของควาร์ก มีควาร์กทั้งหมดหกชนิดในธรรมชาติ แต่สำหรับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดของโปรตอนเราเพียงแค่ต้องดูแลเกี่ยวกับพวกเขาสองคนเรียกว่าควาร์กขึ้นและลง

อย่างที่ฉันพูดไปโปรตอนเป็นทริปเลตของควาร์ก: ควาร์กสองอันและควาร์กหนึ่งตัว ควาร์กเหล่านี้รวมตัวกันเป็นทีมและทีมที่ถูกผูกไว้คือสิ่งที่เราเรียกว่าโปรตอน

ยกเว้นว่าไม่ควรมีเหตุผลใด ๆ

ควาร์กสองตัวมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน (เพราะเป็นอนุภาคชนิดเดียวกัน) ดังนั้นพวกเขาจึงควรเกลียดซึ่งกันและกันอย่างแน่นอน พวกเขาจะยังคงติดแน่นได้อย่างไร

และยิ่งไปกว่านั้นเรารู้จากกลศาสตร์ควอนตัมว่าควาร์กสองตัวไม่สามารถแบ่งปันสถานะเดียวกันแน่นอน - คุณไม่สามารถมีสองชนิดเดียวกันที่ถูกผูกเข้าด้วยกันเช่นนั้น ควาร์กสองตัวนั้นไม่ควรได้รับอนุญาตให้อยู่ร่วมกันอย่างนั้น และพวกเขาไม่เพียงทนต่อกันและกัน แต่ดูเหมือนจะสนุกกับ บริษัท จริงๆ!

เกิดอะไรขึ้น?

สีที่แตกต่าง

ในปี 1950 และ '60s นักฟิสิกส์เริ่มตระหนักว่าโปรตอนไม่ได้เป็นพื้นฐาน - มันสามารถแบ่งออกเป็นส่วนเล็ก ๆ ดังนั้นพวกเขาจึงทำการทดลองมากมายและพัฒนาทฤษฎีขึ้นมาเพื่อทำการแตกถั่วนั้น และพวกเขาก็วิ่งเข้าไปในก) การมีอยู่ของควาร์กและข) ปริศนาที่น่าสงสัยดังกล่าวข้างต้น

มีบางอย่างในสามควาร์กอยู่ด้วยกัน แข็งแรงจริงๆ พลังแห่งธรรมชาติ

พลังที่แข็งแกร่ง

แรงที่ตั้งสมมติฐานแล้วแก้ไขปัญหาของควาร์กที่อยู่ร่วมกันโดยใช้กำลังดุร้ายอย่างง่าย โอ้คุณไม่อยากอยู่ด้วยกันเพราะคุณไม่สามารถแบ่งปันสถานะเดียวกันได้ใช่ไหม ไม่ดีเกินไปแรงที่แรงจะทำให้คุณทำอยู่ดีและมันจะช่วยแก้ปัญหานั้น

และทุกแรงมีจุดเชื่อมต่อ เบ็ด วิธีบอกแรงที่คุณได้รับจากมัน สำหรับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้า สำหรับแรงโน้มถ่วงมันคือมวล สำหรับแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งนักฟิสิกส์ต้องคิดเบ็ดใหม่ วิธีสำหรับควาร์กในการเชื่อมต่อกับควาร์กอื่นโดยใช้กำลังนั้น และนักฟิสิกส์ก็เลือกสีของคำว่า

ดังนั้นหากคุณหรืออนุภาคที่คุณรู้จักมีคุณสมบัติใหม่ที่เรียกว่าสีคุณจะรู้สึกถึงพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง สีของคุณอาจเป็นหนึ่งในสีแดงสีเขียวหรือสีน้ำเงิน (ที่สับสนนอกจากนี้ยังมีสีแดงต่อต้านสีเขียวและสีฟ้าต่อต้านเพราะชีวิตแน่นอนไม่ง่ายเลย) ในการสร้างอนุภาคเช่นโปรตอนสีทั้งหมดของควาร์กต้องรวมกันเป็นสีขาว ดังนั้นควาร์กหนึ่งได้รับมอบหมายให้เป็นสีแดงอีกอันหนึ่งที่ได้รับมอบหมายให้เป็นสีเขียวและที่ได้รับมอบหมายสุดท้ายเป็นสีน้ำเงิน การกำหนดสีโดยเฉพาะนั้นไม่สำคัญ (และอันที่จริงควาร์กแต่ละครั้งจะเปลี่ยนสี) สิ่งที่สำคัญคือพวกเขาทั้งหมดรวมกันเป็นสีขาวและแรงที่แข็งแกร่งสามารถทำงานได้

คุณสมบัติใหม่ของสีคือสิ่งที่ทำให้ควาร์กสามารถแบ่งปันสถานะภายในโปรตอนได้ ด้วยสีไม่มีสองควาร์กเหมือนกัน - ตอนนี้พวกเขามีสีที่แตกต่างกัน

พลังวิเศษ

ลองนึกภาพการเอาคีมเล็ก ๆ สองเส้นมาจับควาร์กสองตัวในโปรตอน คุณออกกำลังกายเพื่อที่คุณจะสามารถเอาชนะความแข็งแกร่งของพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งไว้ด้วยกัน

แต่นี่เป็นสิ่งที่แปลกเกี่ยวกับพลังที่แข็งแกร่ง: มันไม่ได้ลดลงตามระยะทาง แรงอื่น ๆ เช่นแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้าทำ แต่พลังอันแข็งแกร่งยังคงแข็งแกร่งอย่างที่เคยเป็นมาไม่ว่าควาร์กเหล่านั้นจะอยู่ห่างกันเพียงใด

ดังนั้นเมื่อคุณดึงควาร์กเหล่านั้นออกมาคุณจะต้องเพิ่มพลังงานมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อรักษาการแยก ในที่สุดคุณก็เพิ่มพลังงานมากจนพลังงานที่เทียบเท่ากับมวลและอนุภาคใหม่ทั้งหมดจะปรากฏในสุญญากาศระหว่างควาร์ก อนุภาคใหม่เช่น…ควาร์กอื่น ๆ

ควาร์กใหม่เหล่านี้แทบจะหาเพื่อนใหม่ที่เพิ่งแยกจากกันและผูกเข้าด้วยกันโดยโยนการทำงานหนักทั้งหมดของคุณและขับเหงื่อออกไปในพริบตาพลังงานก่อนที่ระยะห่างระหว่างพวกเขาจะเห็นได้ชัดเจน ตามเวลาที่คุณคิดว่าคุณแยกควาร์กออกแล้วพวกเขาพบใหม่ที่จะผูกมัดแล้ว ผลกระทบนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อควาร์กการคุมขัง: พลังอันแข็งแกร่งจริง ๆ แล้วมีความแข็งแกร่งที่จะป้องกันไม่ให้เราเห็นควาร์กโดดเดี่ยว

มันเป็นความอัปยศที่เราจะไม่มีวันได้เห็นว่าสีของมันคืออะไร

เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "อะไรทำให้พลังที่แข็งแกร่งแข็งแกร่งเช่นนี้" เกี่ยวกับพอดคาสต์ Ask A Spaceman มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ Kayja N. และ Ter B. สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณบน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม Paul @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter

• นักฟิสิกส์ตรวจพบอนุภาคแปลกมากที่ไม่ใช่อนุภาคเลย
• มีอยู่จริงมากกว่าหนึ่ง (ในควอนตัมฟิสิกส์)
• ทำไมนักฟิสิกส์ถึงมีความสนใจในปริศนาที่ลึกลับของควอร์คที่ยิ่งใหญ่ที่สุด