En proton (förgrund) består av tre kvarkar, var och en med en unik egenskap som kallas färg. De hålls fast av den starka kärnkraften.
(Bild: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum. Sutter bidrog med denna artikel till Space.coms expertröster: Op-Ed & Insights.
Alla fyra kända naturkrafter har sin egen unika plats. Tyngdekraft, elektromagnetism, svag kärnkraft, stark kärnkraft: Var och en som styr någon liten domän i våra liv. Medan våra vardagliga upplevelser domineras av jordens allvar och elektromagnetismen i ljus- och kylmagneter, spelar de tvillingkärnkrafterna också nyckelroller - bara på väldigt små vägar.
Hur liten? Föreställ dig att du ballonger upp för att bli storleken på solsystemet. Dina händer simmar genom Oort Cloud i sig, planeterna inbäddar ovanför magen. Du är så stor att det tar veckor eller månader att elektriska signaler tar sin resa genom ditt nervsystem, vilket gör att även de enklaste gesterna blir verkligen långsamma.
Det är skillnaden mellan din nuvarande storlek (ungefär ett par meter) och 10 ^ 15 meter.
Kör det nu omvänt. Föreställ dig en skala så liten att din nuvarande kropp känns lika enorm som solsystemet. En skala där dina rörelser sträcker sig längst i takt. Denna otroligt lilla skala är femtometern: 10 ^ -15 meter. Det är skalan på atomkärnan.
In i protonen
Från vägen upp här är det frestande att tänka på protonen som en enda partikel. Ett hårt skal med positiv laddning och massa, som kan studsa och slå runt så lätt som en biljardboll. Men i verkligheten är en proton tillverkad av tre mindre partiklar. Dessa partiklar har det härligt kvälliga namnet. Det finns totalt sex slags kvarkar i naturen, men för vår noggranna undersökning av protonen behöver vi bara bry oss om två av dem, kallade upp- och nedkvarnen.
Som jag sa, en proton är en triplett av kvarkar: två upp kvarkar och en ner kvark. Dessa kvarkar binds samman som ett team, och det bundna laget är det vi kallar en proton.
Det borde inte vara meningsfullt.
De två kvarkarna har exakt samma elektriska laddning (eftersom de är exakt samma typ av partikel), så de borde absolut hata varandra. Hur förblir de så tätt limmade?
Och vad mer är, vi vet från kvantmekanik att två kvarkar inte kan dela exakt samma tillstånd - du kan inte ha två av samma slag bundna ihop så. De båda kvarkarna bör inte tillåtas samexistera på samma sätt. Och ändå tolererar de inte bara varandra utan verkar verkligen njuta av företaget!
Vad pågår?
En annan färg
På 1950- och 60-talet började fysiker inse att protonen inte är grundläggande - den kan delas upp i mindre delar. Så de gjorde ett gäng experiment och utvecklade ett gäng teorier för att knäcka den specifika mutteren. Och de stötte omedelbart på a) förekomsten av kvarkar och b) de förbryllande utsträckningarna ovan.
Något höll de tre kvarkarna samman. Något riktigt, riktigt starkt. En ny naturkraft.
Den starka kraften.
Den då hypotetiserade starka kraften löste problemen med samexisterande kvarkar med enkel brute kraft. Åh, du gillar inte att vara tillsammans eftersom du inte kan dela samma tillstånd? Nåväl synd, den starka kraften kommer att få dig att göra det ändå, och det kommer att ge en väg runt det problemet.
Och varje kraft har en kopplingspunkt. En krok. Ett sätt att berätta för den kraften hur mycket du påverkas av den. För den elektromagnetiska kraften är det den elektriska laddningen. För gravitationen är det massan. För den starka kärnkraften måste fysiker komma med en ny krok. Ett sätt för en kvark att ansluta till en annan kvark via den kraften. Och fysiker valde ordet färg.
Så om du eller en partikel som du känner har denna nya egenskap som kallas färg, får du känna den starka kärnkraften. Din färg kan vara en av rött, grönt eller blått (förvirrande finns det också antirött, antigrönt och antiblått, för livet är naturligtvis inte så enkelt). För att bygga en partikel som en proton måste alla färger på kvarkarna lägga till sig vit. Således får en kvark tilldelas vara röd, den andra tilldelas grön och den sista tilldelas vara blå. Den specifika tilldelningen av färg spelar egentligen ingen roll (och i själva verket ändrar de enskilda kvarkarna ständigt färg), det som betyder är att de alla lägger till vitt och att den starka kraften kan göra sitt arbete.
Denna nya färgegenskap är det som tillåter kvarkarna att dela ett tillstånd i en proton. Med färg är inga två kvarkar exakt samma - de har nu olika färger.
Super styrka
Föreställ dig att ta två små tänger och ta tag i två av kvarkarna i protonen. Du tränar, så att du kan övervinna styrkan hos den starka kärnkraften som håller dem ihop.
Men här är något konstigt med den starka kraften: Den minskar inte med avståndet. Andra krafter, som gravitation och elektromagnetism, gör det. Men den starka kraften förblir lika stark som den alltid är, oavsett hur långt ifrån varandra dessa kvarkar är.
Så när du tappar på dessa kvarkar, måste du fortsätta lägga mer och mer energi för att upprätthålla separationen. Du lägger så småningom så mycket energi att energi, som motsvarar massan och allt detta, nya partiklar dyker upp i vakuumet mellan kvarkarna. Nya partiklar som ... andra kvarkar.
Dessa nya kvarkar hittar nästan omedelbart sina nyligen separerade vänner och binds ihop, kastar allt hårt arbete och svettas bort i en enda blixt av energi innan avståndet mellan dem till och med märks. När du tror att du har separerat kvarkarna har de redan hittat nya att binda till. Denna effekt kallas quark-inneslutning: Den starka kraften är faktiskt så dang stark att den hindrar oss från att någonsin se en kvark isolerat.
Det är synd att vi aldrig får se vilken färg det är.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Vad gör den starka kraften så stark?" på Ask A Spaceman-podcast, tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Kayja N. och Ter B. för frågorna som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.
- Fysiker upptäckte just en mycket udda partikel som inte är en partikel alls
- Mer än en verklighet existerar (i kvantfysik)
- Varför fysiker är intresserade av de mystiska egendomarna i den hetaste kvarken
