Một proton (tiền cảnh) được tạo thành từ ba quark, mỗi quark có một thuộc tính duy nhất được gọi là màu sắc. Họ bị giữ chặt bởi lực lượng hạt nhân mạnh mẽ.
(Ảnh: © Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley)
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Tiếng nói chuyên gia của Space.com: Op-Ed & Insights.
Tất cả bốn lực lượng tự nhiên được biết đến có vị trí độc đáo của riêng họ. Trọng lực, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh: Mỗi người cai quản một số miền nhỏ trong cuộc sống của chúng ta. Trong khi những trải nghiệm hàng ngày của chúng ta bị chi phối bởi lực hấp dẫn của Trái đất và lực điện từ của ánh sáng và nam châm tủ lạnh, thì lực lượng hạt nhân song sinh cũng đóng vai trò then chốt - chỉ ở quy mô rất, rất nhỏ.
Nhỏ như thế nào? Hãy tưởng tượng bạn đang bay lên để trở thành kích thước của hệ mặt trời. Tay bạn bơi qua Đám mây chính nó, các hành tinh nép mình trên rốn của bạn. Bạn lớn đến mức các tín hiệu điện phải mất hàng tuần hoặc thậm chí hàng tháng để thực hiện hành trình của chúng qua hệ thống thần kinh của bạn, làm cho ngay cả những cử chỉ đơn giản nhất cũng trở nên chậm chạp.
Đó là sự khác biệt giữa kích thước hiện tại của bạn (khoảng một vài mét) và 10 ^ 15 mét.
Bây giờ, chạy nó ngược lại. Hãy tưởng tượng một quy mô nhỏ đến mức cơ thể hiện tại của bạn cảm thấy rộng lớn như hệ mặt trời. Một thang đo mà chuyển động của bạn xuất hiện ở tốc độ chậm nhất. Chiếc cân nhỏ bé đến khó tin này là máy đo độ dài: 10 ^ -15 mét. Đó là quy mô của hạt nhân nguyên tử.
Vào proton
Từ đây, thật hấp dẫn khi nghĩ về proton như một hạt đơn lẻ. Một vỏ cứng của điện tích dương và khối lượng, có thể nảy và đập xung quanh dễ dàng như một quả bóng bi-a. Nhưng trong thực tế, một proton được tạo thành từ ba hạt nhỏ hơn. Những hạt này có tên kỳ quặc thú vị của quark. Có tổng cộng sáu loại quark trong tự nhiên, nhưng để kiểm tra chặt chẽ về proton, chúng ta chỉ cần quan tâm đến hai trong số chúng, được đặt tên là các quark lên và xuống.
Như tôi đã nói, một proton là một bộ ba quark: hai quark lên và một quark xuống. Những quark này liên kết với nhau như một đội, và nhóm bị ràng buộc đó là cái mà chúng ta gọi là proton.
Ngoại trừ, điều đó không có ý nghĩa gì.
Hai quark lên có cùng một điện tích chính xác (vì chúng là cùng một loại hạt), vì vậy chúng hoàn toàn nên ghét nhau. Làm thế nào để họ ở lại dán rất chặt?
Và hơn thế nữa, chúng ta biết từ cơ học lượng tử rằng hai quark không thể chia sẻ cùng một trạng thái - bạn không thể có hai loại giống nhau liên kết với nhau như thế. Hai quark up không nên được phép cùng tồn tại như thế. Vậy mà họ không chỉ khoan dung với nhau, mà dường như thực sự rất thích công ty!
Chuyện gì đang xảy ra vậy?
Một màu khác
Trong những năm 1950 và 60, các nhà vật lý bắt đầu nhận ra rằng proton không phải là cơ bản - nó có thể được chia thành các phần nhỏ hơn. Vì vậy, họ đã thực hiện một loạt các thí nghiệm và phát triển một loạt các lý thuyết để phá vỡ loại hạt đặc biệt đó. Và họ ngay lập tức chạy vào a) sự tồn tại của quark và b) những câu hỏi hóc búa khó hiểu ở trên.
Một cái gì đó đang giữ ba quark đó với nhau. Một cái gì đó thực sự, thực sự mạnh mẽ. Một thế lực mới của tự nhiên.
Lực lượng mạnh.
Lực lượng mạnh sau đó được đưa ra giả thuyết đã giải quyết các vấn đề của các quark cùng tồn tại bằng lực lượng vũ phu đơn giản. Ồ, bạn không thích ở cùng nhau vì bạn không thể chia sẻ cùng một trạng thái? Chà, quá tệ, lực mạnh sẽ khiến bạn phải làm điều đó, và nó sẽ cung cấp một cách giải quyết vấn đề đó.
Và mọi lực lượng đều có một điểm kết nối. Một cái móc. Một cách để nói rằng lực lượng đó bạn bị ảnh hưởng bởi nó. Đối với lực điện từ, đó là điện tích. Đối với trọng lực đó là khối lượng. Đối với lực lượng hạt nhân mạnh, các nhà vật lý đã phải đưa ra một cái móc mới. Một cách để một quark kết nối với một quark khác thông qua lực đó. Và các nhà vật lý đã chọn màu từ.
Do đó, nếu bạn hoặc một hạt bạn biết có thuộc tính mới này được gọi là màu, thì bạn sẽ cảm nhận được lực hạt nhân mạnh. Màu sắc của bạn có thể là một màu đỏ, xanh lá cây hoặc xanh lam (khó hiểu là cũng có màu đỏ, chống xanh và chống xanh, vì dĩ nhiên cuộc sống không đơn giản như vậy). Để tạo ra một hạt giống như một proton, tất cả các màu của các quark phải cộng với màu trắng. Do đó, một quark được gán màu đỏ, cái còn lại được gán màu xanh lá cây và cái cuối cùng được gán là màu xanh. Việc gán màu đặc biệt không thực sự quan trọng (và trên thực tế, các quark riêng lẻ liên tục thay đổi màu sắc), điều quan trọng là tất cả chúng đều cộng với màu trắng và lực mạnh có thể thực hiện công việc của nó.
Tính chất mới này của màu sắc là thứ cho phép các quark chia sẻ trạng thái bên trong một proton. Với màu sắc, không có hai quark giống hệt nhau - bây giờ chúng có màu khác nhau.
Siêu sức
Hãy tưởng tượng lấy hai cái kìm nhỏ và chộp lấy hai trong số các quark trong proton. Bạn tập luyện, vì vậy bạn có thể vượt qua sức mạnh của lực lượng hạt nhân mạnh mẽ giữ chúng lại với nhau.
Nhưng đây là một điều kỳ lạ về lực mạnh: Nó không giảm đi khoảng cách. Các lực khác, như trọng lực và điện từ, làm. Nhưng lực mạnh vẫn mạnh như mọi khi, bất kể các quark đó cách nhau bao xa.
Vì vậy, khi bạn kéo mạnh những hạt quark đó, bạn phải tiếp tục bổ sung thêm năng lượng để duy trì sự tách biệt. Cuối cùng, bạn bổ sung rất nhiều năng lượng đến mức, năng lượng tương đương với khối lượng và tất cả những thứ đó, các hạt mới xuất hiện trong chân không giữa các quark. Các hạt mới như các quark khác.
Những quark mới này gần như ngay lập tức tìm thấy những người bạn mới tách ra của họ và liên kết với nhau, ném tất cả công việc khó khăn của bạn và đổ mồ hôi trong một tia năng lượng trước khi khoảng cách giữa họ thậm chí còn đáng chú ý. Vào thời điểm bạn nghĩ rằng bạn đã tách các quark, họ đã tìm thấy những cái mới để liên kết. Hiệu ứng này được gọi là giam cầm quark: Lực mạnh thực sự rất nguy hiểm đến nỗi nó ngăn chúng ta không bao giờ nhìn thấy một quark trong sự cô lập.
Thật xấu hổ, chúng ta sẽ không bao giờ thấy màu sắc của nó là gì.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập phim "Điều gì làm cho lực mạnh rất mạnh?" trên podcast Ask A Spaceman, có sẵn trên iTunes và trên Web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn Kayja N. và Ter B. vì những câu hỏi dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter.
- Các nhà vật lý chỉ phát hiện ra một hạt rất kỳ lạ Đó hoàn toàn không phải là hạt
- Nhiều hơn một thực tế tồn tại (trong Vật lý lượng tử)
- Tại sao các nhà vật lý quan tâm đến các quirks bí ẩn của Quark mạnh nhất
