Kvarker har faktisk ikke farver

på et grundlæggende niveau bestemmes virkeligheden kun af to Egenskaber i vores univers: kvanta, der udgør alt, hvad der findes, og de interaktioner, der finder sted mellem dem. Mens de regler, der styrer alt dette, kan virke komplicerede, er konceptet ekstremt ligetil. Universet består af diskrete bits af energi, der er bundet op i kvantepartikler med specifikke egenskaber, og disse partikler interagerer med hinanden i henhold til de fysiske love, der ligger til grund for vores virkelighed.

nogle af disse kvanteegenskaber styrer, om og hvordan en partikel vil interagere under en bestemt kraft. Alt har energi, og derfor oplever alt tyngdekraften. Kun partiklerne med de rigtige slags ladninger oplever de andre kræfter, da disse ladninger er nødvendige for at koblinger kan forekomme. I tilfælde af den stærke atomkraft har partikler brug for en farveladning for at interagere. Kun kvarker har faktisk ikke farver. Her er hvad der foregår i stedet.

selvom vi måske ikke forstår alt om denne virkelighed, har vi afdækket alle partiklerne i standardmodellen og arten af de fire grundlæggende kræfter — tyngdekraft, elektromagnetisme, den svage atomkraft og den stærke atomkraft — der styrer deres interaktioner. Men ikke alle partikler oplever hver interaktion; du har brug for den rigtige type ladning for det.

af de fire grundlæggende kræfter har hver partikel en iboende energi, selv masseløse partikler som fotoner. Så længe du har energi, oplever du tyngdekraften. Desuden er der kun en type gravitationsladning: positiv energi (eller masse). Af denne grund er tyngdekraften altid attraktiv og forekommer mellem alt, hvad der findes i universet.

elektromagnetisme er lidt mere kompliceret. I stedet for en type grundlæggende ladning er der to: positive og negative elektriske ladninger. Når lignende ladninger (positive og positive eller negative og negative) interagerer, afviser de, mens når modsatte ladninger (positive og negative) interagerer, tiltrækker de.

dette giver en spændende mulighed for, at tyngdekraften ikke gør det: evnen til at have en bundet tilstand, der ikke udøver en nettokraft på et eksternt, separat ladet objekt. Når lige store mængder positive og negative ladninger binder sammen til et enkelt system, får du et neutralt objekt: en uden nettoladning til det. Gratis afgifter udøver attraktive og/eller frastødende kræfter, men uladede systemer gør det ikke. Det er den største forskel mellem gravitation og elektromagnetisme: evnen til at have neutrale systemer sammensat af ikke-nul elektriske ladninger.

hvis vi skulle forestille os disse to kræfter side om side, kan du tænke på elektromagnetisme som at have to retninger, mens gravitation kun har en enkelt retning. Elektriske ladninger kan være positive eller negative, og de forskellige kombinationer af positiv-positiv, positiv-negativ, negativ-positiv og negativ-negativ giver mulighed for både tiltrækning og frastødning. Gravitation har derimod kun en type ladning og derfor kun en type kraft: tiltrækning.

selvom der er to typer elektrisk ladning, tager det kun en partikel at tage sig af den attraktive og frastødende virkning af elektromagnetisme: fotonen. Den elektromagnetiske kraft har en relativt enkel struktur — to ladninger, hvor lignende frastøder og modsætninger tiltrækker-og en enkelt partikel, fotonet, kan tegne sig for både elektriske og magnetiske effekter. I teorien kunne en enkelt partikel, graviton, gøre det samme for gravitation.

men så, på en helt anden fod, der er den stærke kraft. Det ligner både tyngdekraften og elektromagnetismen i den forstand, at der er en ny type ladning og nye muligheder for en kraft, der er forbundet med den.

hvis du tænker på en atomkerne, skal du straks erkende, at der skal være en ekstra kraft, der er stærkere end den elektriske kraft er, ellers ville kernen, der er lavet af protoner og neutroner, flyve fra hinanden på grund af elektrisk afstødning. Den kreativt navngivne stærke atomkraft er den ansvarlige part, da bestanddelene i protoner og neutroner, kvarker, har både elektriske ladninger og en ny type ladning: farveafladning.

i modsætning til hvad du måske forventer, er der dog ingen farve involveret overhovedet. Årsagen til, at vi kalder det farveafladning, er, at i stedet for en grundlæggende, attraktiv type ladning (som tyngdekraft) eller to modsatte typer grundlæggende ladning (positiv og negativ, som elektromagnetisme), styres den stærke kraft af tre grundlæggende typer ladning, og de adlyder meget forskellige regler end de andre, mere velkendte kræfter.

for elektriske ladninger kan en positiv ladning annulleres med en lige og modsat ladning-en negativ ladning-af samme størrelse. Men for farveafgifter har du tre grundlæggende typer af afgifter. For at annullere en enkelt farveafgift af en type har du brug for en af hver af de anden og tredje typer. Kombinationen af lige antal af alle tre typer resulterer i en kombination, som vi kalder “farveløs”, og farveløs er den eneste kombination af sammensat partikel, der er stabil.

dette fungerer uafhængigt af kvarker, som har en positiv farveladning, og antikvarker, som har en negativ farveladning. Hvis du billede et farvehjul, kan du sætte rød, grøn og blå på tre lige store steder, som en ligesidet trekant. Men mellem rød og grøn ville være gul; mellem grøn og blå ville være cyan; mellem rød og blå ville være magenta.

disse mellemliggende farveafgifter svarer til farverne på antipartiklerne: antifarverne. Cyan er den samme som anti-rød; magenta er den samme som anti-grøn; gul er den samme som anti-blå. Ligesom du kunne tilføje tre kvarker med røde, grønne og blå farver for at lave en farveløs kombination (som en proton), kan du tilføje tre antikvarker med cyan, magenta og gule farver for at lave en farveløs kombination (som en antiproton).

hvis du ved noget om farve, kan du begynde at tænke på andre måder at generere en farveløs kombination på. Hvis tre forskellige farver eller tre forskellige anticolors kunne arbejde, måske den rigtige farve-anticolor kombination kunne få dig der?

faktisk kan det. Du kan blande den rigtige kombination af en kvark og en antikvark for at producere en farveløs sammensat partikel, kendt som en meson. Det virker, fordi:

• rød og cyan,
• grøn og magenta,
• og blå og gul

er alle farveløse kombinationer. Så længe du tilføjer en farveløs netladning, tillader reglerne for den stærke kraft dig at eksistere.

dette kan starte dit sind ned ad nogle interessante stier. Hvis rød + grøn + blå er en farveløs kombination, men Rød + cyan også er farveløs, betyder det, at grøn + blå er den samme som cyan?

det er helt rigtigt. Det betyder, at du kan have en enkelt (farvet) kvark parret med et af følgende:

• to yderligere kvarker,
• en antikvark,
• tre yderligere kvarker og en antikvark,
• en yderligere kvark og to antikvarker,
• fem yderligere kvarker,

eller enhver anden kombination, der fører til en farveløs total. Når du hører om eksotiske partikler som tetrakvarker (to kvarker og to antikvarker) eller pentakvarker (fire kvarker og en antikvark), skal du vide, at de overholder disse regler.

men farve er kun en analogi, og den analogi vil faktisk bryde ned ret hurtigt, hvis du begynder at se på det for meget detaljeret. For eksempel er den måde, den stærke kraft fungerer på, ved at udveksle gluoner, der bærer en farve-anticolor-kombination med dem. Hvis du er en blå kvark, og du udsender en gluon, kan du omdanne til en rød kvark, hvilket betyder, at den gluon, du udsendte, indeholdt en cyan (anti-rød) og en blå farveafladning, så du kan spare farve.

du tror måske med tre farver og tre antifarver, at der ville være ni mulige typer gluon, som du kunne have. Når alt kommer til alt, hvis du matchede hver af rød, grøn og blå med hver af cyan, magenta og gul, er der ni mulige kombinationer. Dette er et godt første gæt, og det er næsten rigtigt.

det viser sig dog, at der kun findes otte gluoner. Forestil dig, at du er en rød kvark, og du udsender en rød/magenta gluon. Du vil gøre den røde kvark til en grøn kvark, for det er sådan, du sparer farve. Denne gluon finder derefter en grøn kvark, hvor magentaen vil udslette med det grønne og efterlade den røde farve. På denne måde udveksles farver mellem interagerende farvede partikler.

denne tankegang er kun god for seks af gluonerne, selvom:

• rød / magenta,
• rød/gul,
• grøn/cyan,
• Grøn/Gul,
• Blå/cyan og
• blå/magenta.

når du løber ind i de andre tre muligheder — rød/cyan, grøn/magenta og blå/gul — er der et problem: de er alle farveløse.

i fysik, når du har partikler, der har de samme kvantetal, blandes de sammen. Disse tre typer gluoner, der alle er farveløse, blandes absolut sammen. Detaljerne om, hvordan de blandes, er ret dybe og går ud over omfanget af en ikke-teknisk artikel, men du ender med to kombinationer, der er en ulige blanding af de tre forskellige farver og anticolors sammen med en kombination, der er en blanding af alle farver/anticolor par lige.

den sidste er virkelig farveløs og kan ikke fysisk interagere med nogen af partiklerne eller antipartiklerne med farveafgifter. Derfor er der kun otte fysiske gluoner. Udvekslingen af gluoner mellem kvarker (og/eller antikvarker) og farveløse partikler mellem andre farveløse partikler er bogstaveligt talt det, der binder atomkerner sammen.

vi kan kalde det farveafgift, men den stærke atomkraft adlyder regler, der er unikke blandt alle fænomener i universet. Mens vi tilskriver farver til kvarker, antikfarver til antikvarker og farvefarvekombinationer til gluoner, er det kun en begrænset analogi. I sandhed har ingen af partiklerne eller antipartiklerne overhovedet en farve, men overholder blot reglerne for en interaktion, der har tre grundlæggende typer ladning, og kun kombinationer, der ikke har nogen nettoladning under dette system, må eksistere i naturen.

denne indviklede interaktion er den eneste kendte kraft, der kan overvinde den elektromagnetiske kraft og holde to partikler af lignende elektrisk ladning bundet sammen til en enkelt, stabil struktur: atomkernen. Kvarker har faktisk ikke farver, men de har afgifter som styret af den stærke interaktion. Kun med disse unikke egenskaber kan materiens byggesten kombineres for at producere det univers, vi bor i dag.