Proton (latar depan) terdiri daripada tiga quark, masing-masing dengan sifat unik yang disebut warna. Mereka dipegang oleh kekuatan nuklear yang kuat.
(Imej: © Makmal Nasional Lawrence Berkeley)
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di Universiti Negeri Ohio, tuan rumah dari Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Alam Semesta. Sutter menyumbang artikel ini kepada Suara Pakar Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Keempat-empat kekuatan alam yang dikenali mempunyai tempat yang tersendiri. Graviti, elektromagnetisme, nuklear lemah, nuklear kuat: Masing-masing mengatur beberapa bidang kecil kehidupan kita. Walaupun pengalaman seharian kita didominasi oleh graviti Bumi dan elektromagnetisme cahaya dan magnet peti sejuk, kekuatan nuklear kembar juga memainkan peranan penting - pada skala yang sangat kecil.
Betapa kecil? Bayangkan diri anda naik menjadi ukuran sistem suria. Tangan anda berenang melalui Awan Oort planet itu terletak di atas perut anda. Anda begitu besar sehingga isyarat elektrik memerlukan masa berminggu-minggu atau bahkan berbulan-bulan untuk membuat perjalanan melalui sistem saraf anda, menjadikan isyarat yang paling sederhana terasa lambat.
Itulah perbezaan antara ukuran semasa anda (kira-kira beberapa meter) dan 10 ^ 15 meter.
Sekarang, jalankan secara terbalik. Bayangkan skala yang sangat kecil sehingga badan anda terasa luas seperti sistem suria. Skala di mana pergerakan anda berjalan dengan langkah paling perlahan. Skala yang sangat kecil ini adalah femtometer: 10 ^ -15 meter. Ini adalah skala nukleus atom.
Ke dalam proton
Dari sini, sangat menggoda untuk menganggap proton sebagai satu zarah. Cengkeraman cas dan jisim positif, mampu melambung dan memukul dengan mudah seperti bola biliar. Tetapi pada hakikatnya, sebuah proton terbuat dari tiga zarah yang lebih kecil. Zarah-zarah ini mempunyai nama quark yang sangat unik. Terdapat sejumlah enam jenis quark di alam, tetapi untuk pemeriksaan proton secara dekat, kita hanya perlu memperhatikan dua daripadanya, yang dinamakan quark atas dan bawah.
Seperti yang saya katakan, proton adalah triplet quark: dua quark atas dan satu quark bawah. Quark ini mengikat bersama sebagai satu pasukan, dan pasukan yang terikat inilah yang kita sebut proton.
Kecuali, itu tidak masuk akal.
Kedua-dua quark mempunyai muatan elektrik yang sama (kerana mereka adalah jenis zarah yang sama), jadi mereka semestinya saling membenci. Bagaimana mereka tetap terpaku dengan ketat?
Dan lebih-lebih lagi, kita tahu dari mekanik kuantum bahawa dua quark tidak dapat berkongsi keadaan yang sama - anda tidak boleh mempunyai dua jenis yang sama terikat seperti itu. Kedua-dua quark itu tidak boleh dibiarkan bersama seperti itu. Namun mereka tidak hanya bertolak ansur antara satu sama lain, tetapi nampaknya sangat menikmati syarikat itu!
Apa yang sedang berlaku?
Warna yang berbeza
Pada tahun 1950-an dan 60-an, ahli fizik mula menyedari bahawa proton tidak mendasar - ia dapat dipecah menjadi bahagian yang lebih kecil. Oleh itu, mereka melakukan banyak eksperimen dan mengembangkan banyak teori untuk memecahkan kacang itu. Dan mereka segera menemui a) adanya quark dan b) teka-teki yang membingungkan di atas.
Ada sesuatu yang menahan ketiga-tiga quark itu. Sesuatu yang sangat kuat. Kekuatan semula jadi yang baru.
Kekuatan yang kuat.
Kekuatan kuat yang kemudian dihipotesiskan menyelesaikan masalah quark yang wujud dengan kekuatan kasar yang sederhana. Oh, anda tidak suka bersama kerana anda tidak dapat berkongsi keadaan yang sama? Sayang sekali, kekuatan yang kuat akan membuat anda melakukannya, dan ini akan memberi jalan keluar untuk mengatasi masalah itu.
Dan setiap daya mempunyai titik hubungan. Cangkuk. Kaedah untuk memberitahu bahawa kekuatan anda mempengaruhi anda. Untuk daya elektromagnetik, ia adalah cas elektrik. Untuk graviti adalah jisim. Untuk kekuatan nuklear yang kuat, ahli fizik harus membuat kaitan baru. Cara untuk quark menyambung ke quark lain melalui kekuatan itu. Dan ahli fizik memilih warna perkataan.
Oleh itu, jika anda atau zarah yang anda tahu mempunyai sifat baru yang disebut warna ini, maka anda akan merasakan kekuatan nuklear yang kuat. Warna anda boleh menjadi warna merah, hijau, atau biru (membingungkan ada juga anti-merah, anti-hijau dan anti-biru, kerana tentu saja hidup tidak semudah itu). Untuk membina zarah seperti proton, semua warna quark harus ditambah hingga putih. Oleh itu, satu quark ditugaskan menjadi merah, yang lain diberi warna hijau, dan yang terakhir diberi warna biru. Tugasan warna tertentu sebenarnya tidak penting (dan, sebenarnya, quark individu sentiasa berubah warna), yang penting ialah semuanya menambah warna putih dan kekuatan yang kuat dapat menjalankan tugasnya.
Sifat warna baru inilah yang membolehkan quark berkongsi keadaan di dalam proton. Dengan warna, tidak ada dua quark yang sama - kini mereka mempunyai warna yang berbeza.
Kekuatan super
Bayangkan mengambil dua tang kecil dan mengambil dua quark di proton. Anda bersenam, sehingga anda dapat mengatasi kekuatan kekuatan nuklear yang kuat menahan mereka bersama.
Tetapi inilah sesuatu yang pelik mengenai kekuatan kuat: Ia tidak berkurang dengan jarak. Kekuatan lain, seperti graviti dan elektromagnetisme, berlaku. Tetapi kekuatan yang kuat tetap sama kuatnya seperti biasa, tidak kira seberapa jauh jaraknya kuark itu.
Oleh kerana anda menggunakan quark tersebut, anda harus terus menambahkan lebih banyak tenaga untuk mengekalkan pemisahan. Anda akhirnya menambahkan begitu banyak tenaga sehingga, tenaga yang setara dengan jisim dan semua itu, zarah-zarah baru muncul dalam ruang kosong antara quark. Zarah baru seperti ... quark lain.
Quark baru ini segera menemui rakan mereka yang baru berpisah dan mengikat bersama, membuang semua kerja keras anda dan berpeluh dalam sekejap tenaga sebelum jarak di antara mereka dapat dilihat. Pada masa anda fikir anda telah memisahkan quark, mereka sudah menemui yang baru untuk diikat. Kesan ini dikenali sebagai pengasingan kuark: Kekuatan kuat sebenarnya begitu kuat sehingga ia menghalang kita daripada melihat quark dalam keadaan terasing.
Sayang sekali kita tidak akan dapat melihat apa warnanya.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episodnya "Apa yang menjadikan kekuatan kuat begitu kuat?" pada podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Kayja N. dan Ter B. untuk soalan yang membawa kepada karya ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter.
- Ahli Fizik Baru Mengesan Zarah Sangat Ganjil Itu Bukan Zarah Sama sekali
- Terdapat Lebih daripada Satu Realiti (dalam Fizik Kuantum)
- Mengapa Ahli Fizik Berminat dengan Quirks Misteri dari Quark Paling Hebat
