ما الذي يجعل القوة القوية مميزة للغاية؟

يتكون البروتون (الأمامي) من ثلاثة كواركات ، لكل منها خاصية فريدة تسمى اللون. إنهم مشدودون بقوة نووية قوية.

(الصورة: © مختبر لورانس بيركلي الوطني)

بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب مكانك في الكون. سوتر سوت هذا المقال ل أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.

كل قوى الطبيعة الأربع المعروفة لها مكانها الفريد. الجاذبية والكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة والنووية القوية: كل واحد يحكم مجالًا صغيرًا من حياتنا. في حين أن تجاربنا اليومية تهيمن عليها جاذبية الأرض والكهرومغناطيسية لمغناطيس الضوء والثلاجة ، تلعب القوات النووية التوأم أدوارًا رئيسية أيضًا - فقط بمقاييس صغيرة جدًا.

كيف صغيرة؟ تخيل نفسك تتضخم لتصبح حجم النظام الشمسي. يديك تسبح من خلال أورت كلاود نفسها ، تعش الكواكب فوق زر بطنك. أنت كبير جدًا لدرجة أن الإشارات الكهربائية تستغرق أسابيع أو حتى أشهرًا لتقطع رحلتها عبر جهازك العصبي ، مما يجعل حتى أبسط الإيماءات بطيئة بشكل مؤلم.

هذا هو الفرق بين حجمك الحالي (ما يقرب من بضعة أمتار) و 10 ^ 15 مترًا.

الآن ، قم بتشغيله في الاتجاه المعاكس. تخيل مقياسًا صغيرًا لدرجة أن جسمك الحالي يبدو شاسعًا مثل النظام الشمسي. مقياس حيث تتحرك حركاتك في أبطأ وتيرة. هذا المقياس الصغير للغاية هو مقياس الفمت: 10 ^ -15 متر. إنه مقياس النواة الذرية.

في البروتون

من هنا إلى الأعلى ، من المغري التفكير في البروتون كجسيم واحد. قشرة صلبة ذات شحنة وكتلة إيجابية ، قادرة على الارتداد والطرق بسهولة مثل كرة البلياردو. لكن في الواقع ، يتكون البروتون من ثلاثة جسيمات أصغر. هذه الجسيمات لها اسم ملتوي مبهج للكواركات. هناك ما مجموعه ستة أنواع من الكواركات في الطبيعة ، ولكن لفحصنا الدقيق للبروتون ، نحتاج فقط إلى رعاية نوعين منها ، تسمى الكواركات العلوية والسفلية.

كما قلت ، البروتون عبارة عن ثلاثيات من الكواركات: كواركان علويان وكوارك سفلي. ترتبط هذه الكواركات معًا كفريق ، وهذا الفريق المرتبط هو ما نسميه بروتون.

إلا أنه لا ينبغي أن يكون لذلك أي معنى.

كلا الكواركين العلويين لهما نفس الشحنة الكهربائية بالضبط (لأنهما نفس النوع الدقيق من الجسيمات) ، لذلك يجب أن يكره كل منهما الآخر تمامًا. كيف يبقون ملتصقين بإحكام؟

والأكثر من ذلك ، نحن نعلم من ميكانيكا الكم أن الكواركين لا يتشاركان نفس الحالة بالضبط - لا يمكن أن يكون لديك اثنان من نفس النوع مرتبطين ببعضهما البعض بهذه الطريقة. لا ينبغي السماح لهذين الكواركين الصاعدين بالتعايش معًا بهذه الطريقة. ومع ذلك ، فهم لا يتحملون بعضهم البعض فحسب ، ولكن يبدو أنهم يستمتعون حقًا بالشركة!

ماذا يحدث هنا؟

لون مختلف

في الخمسينيات والستينيات ، بدأ الفيزيائيون يدركون أن البروتون ليس أساسيًا - يمكن تقسيمه إلى أجزاء أصغر. لذا قاموا بمجموعة من التجارب وطوروا مجموعة من النظريات للقضاء على هذا الجوز. وواجهوا على الفور أ) وجود الكواركات و ب) الألغاز المحيرة أعلاه.

شيء ما كان يمسك تلك الكواركات الثلاثة معًا. شيء قوي حقًا. قوة جديدة للطبيعة.

القوة القوية.

القوة القوية المفترضة آنذاك حلت مشاكل كواركات التعايش عن طريق القوة الغاشمة البسيطة. أوه ، لا تحب أن تكون معًا لأنك لا تستطيع مشاركة نفس الحالة؟ حسنًا ، سيئ جدًا ، القوة القوية ستجعلك تفعل ذلك على أي حال ، وستوفر طريقة لحل هذه المشكلة.

وكل قوة لها نقطة اتصال. خطاف. طريقة لإخبار تلك القوة عن مدى تأثرك بها. بالنسبة للقوة الكهرومغناطيسية ، تكون الشحنة الكهربائية. بالنسبة للجاذبية هي الكتلة. بالنسبة للقوة النووية القوية ، كان على الفيزيائيين الخروج بخطاف جديد. طريقة لربط الكوارك إلى كوارك آخر عبر تلك القوة. واختار الفيزيائيون كلمة اللون.

وبالتالي ، إذا كنت أنت أو جسيم تعرفه أن هذه الخاصية الجديدة تسمى اللون ، فعندئذٍ ستشعر بالقوة النووية القوية. يمكن أن يكون لونك واحدًا من الأحمر أو الأخضر أو ​​الأزرق (من المربك أن هناك أيضًا مضادًا للأحمر أو أخضر أو ​​أزرق ، لأن الحياة ليست بهذه البساطة بالطبع). لبناء جسيم مثل البروتون ، يجب أن تضيف كل ألوان الكواركات إلى اللون الأبيض. وهكذا يتم تعيين كوارك واحد ليكون أحمر ، والآخر مخصصًا ليكون أخضر ، وآخر مخصص ليكون أزرق. إن التخصيص الخاص للون لا يهم في الواقع (وفي الواقع ، فإن الكواركات الفردية تتغير باستمرار اللون) ، ما يهم هو أنها تضيف إلى اللون الأبيض وأن القوة القوية يمكنها القيام بعملها.

خاصية اللون الجديدة هذه هي التي تسمح للكواركات بمشاركة حالة داخل البروتون. مع اللون ، لا يوجد كواركين متشابهين تمامًا - لديهم الآن ألوانًا مختلفة.

قوة عظمى

تخيل أخذ زردية صغيرة وإمساك بالكواركين في البروتون. أنت تعمل ، لذا فأنت قادر على التغلب على قوة القوة النووية القوية التي تجمعهم.

ولكن هنا شيء غريب في القوة القوية: إنها لا تتناقص مع المسافة. تفعل قوى أخرى ، مثل الجاذبية والكهرومغناطيسية. لكن القوة القوية تبقى قوية كما هي دائما ، بغض النظر عن مدى تباعد تلك الكواركات.

لذا ، عندما تضغط على تلك الكواركات ، عليك الاستمرار في إضافة المزيد والمزيد من الطاقة للحفاظ على الفصل. في النهاية ، تضيف الكثير من الطاقة ، حيث أن الطاقة تعادل الكتلة وكل ذلك ، تظهر جسيمات جديدة في الفراغ بين الكواركات. جسيمات جديدة مثل ... الكواركات الأخرى.

هذه الكواركات الجديدة تجد على الفور تقريبًا أصدقاءها المنفصلين حديثًا وتلتصق ببعضها البعض ، وترمي كل عملك الشاق وتتعرق في ومضة واحدة من الطاقة قبل أن تلاحظ المسافة بينهما. في الوقت الذي تعتقد فيه أنك قد فصلت الكواركات ، يكونون قد وجدوا بالفعل كواركات جديدة لربطها. يُعرف هذا التأثير باسم حبس الكوارك: القوة القوية في الواقع قوية جدًا لدرجة تمنعنا من رؤية الكوارك في عزلة.

من العار أننا لن نرى أبداً ما هو لونه.

تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة "ما الذي يجعل القوة القوية بهذه القوة؟" على بودكاست Ask A Spaceman ، المتوفر على iTunes وعلى الويب على http://www.askaspaceman.com. بفضل Kayja N. و Ter B. على الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع PaulPaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter.

• اكتشف الفيزيائيون جسيمًا غريبًا جدًا ليس جسيمًا على الإطلاق
• أكثر من حقيقة موجودة (في فيزياء الكم)
• لماذا يهتم الفيزيائيون في المراوغات الغامضة للكوارث الضخمة