Kvarkeilla ei ole värejä.

perustasolla todellisuutta määrittää vain kaksi universumimme ominaisuutta: kaiken olemassa olevan muodostava kvantti ja niiden välillä tapahtuvat vuorovaikutukset. Vaikka säännöt, jotka ohjaavat tätä kaikkea, saattavat vaikuttaa monimutkaisilta, käsite on erittäin yksinkertainen. Maailmankaikkeus koostuu erillisistä energian palasista, jotka ovat sitoutuneet kvanttihiukkasiksi, joilla on erityisiä ominaisuuksia, ja nämä hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään todellisuutemme perustana olevien fysiikan lakien mukaan.

jotkin näistä kvanttiominaisuuksista säätelevät sitä, onko hiukkanen vuorovaikutuksessa tietyn voiman kanssa ja miten. Kaikessa on energiaa, ja siksi kaikki kokee painovoiman. Vain hiukkaset, joilla on oikeanlaisia varauksia, kokevat kuitenkin muita voimia, koska nämä varaukset ovat välttämättömiä liitoksille. Voimakkaan ydinvoiman tapauksessa hiukkaset tarvitsevat värivarauksen vuorovaikutukseen. Kvarkeilla ei ole värejä. Tämän sijaan on kyse tästä.

vaikka emme ehkä ymmärräkään kaikkea tästä todellisuudesta, olemme löytäneet Kaikki standardimallin hiukkaset ja niiden vuorovaikutusta säätelevien neljän perusvoiman — painovoiman, sähkömagnetismin, heikon ydinvoiman ja vahvan ydinvoiman — luonteen. Mutta jokainen hiukkanen ei koe jokaista vuorovaikutusta; siihen tarvitaan oikeanlainen lataus.

neljästä perusvoimasta jokaisella hiukkasella on sille luontainen energia, jopa massattomilla hiukkasilla kuten fotoneilla. Niin kauan kuin on energiaa, kokee painovoiman. Lisäksi on olemassa vain yhdenlainen gravitaatiovaraus: positiivinen energia (tai massa). Tästä syystä gravitaatiovoima on aina puoleensavetävä, ja se tapahtuu kaiken sen välillä, mitä maailmankaikkeudessa on.

Sähkömagnetismi on hieman monimutkaisempaa. Yhden perusvaraustyypin sijaan on olemassa kaksi: positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset. Kun samankaltaiset varaukset (positiiviset ja positiiviset tai negatiiviset ja negatiiviset) vuorovaikuttavat, ne hylkivät, kun taas vastakkaiset varaukset (positiiviset ja negatiiviset) vuorovaikuttavat, ne vetävät puoleensa.

tämä tarjoaa jännittävän mahdollisuuden, jota gravitaatiolla ei ole: kyvyn olla sidotussa tilassa, joka ei kohdistu nettovoimaan ulkoiseen, erikseen varautuneeseen kappaleeseen. Kun yhtä suuret määrät positiivisia ja negatiivisia varauksia sitoutuvat yhteen järjestelmään, saadaan neutraali kohde: sellainen, jolla ei ole nettovarausta. Vapaa lataus aiheuttaa houkuttelevia ja/tai vastenmielisiä voimia, mutta lataamattomat järjestelmät eivät. Se on suurin ero gravitaation ja sähkömagnetismin välillä: kyky saada neutraaleja systeemejä, jotka koostuvat ei-nollasta sähkövarauksesta.

jos näkisimme nämä kaksi voimaa rinnakkain, sähkömagnetismilla voisi olla kaksi suuntaa, kun taas gravitaatiolla on vain yksi suunta. Sähkövaraukset voivat olla positiivisia tai negatiivisia, ja erilaiset yhdistelmät positiivinen-positiivinen, positiivinen-negatiivinen, negatiivinen-positiivinen ja negatiivinen-negatiivinen mahdollistavat sekä vetovoiman että vastenmielisyyden. Gravitaatiolla taas on vain yhdenlainen varaus ja siten vain yhdenlainen voima: vetovoima.

vaikka sähkövarausta on kahta tyyppiä, sähkömagnetismin puoleensavetävästä ja vastenmielisestä vaikutuksesta huolehtimiseen tarvitaan vain yksi hiukkanen: fotoni. Sähkömagneettisella voimalla on suhteellisen yksinkertainen rakenne — kaksi varausta, joiden kaltaiset varaukset hylkivät ja Vastakohdat vetävät puoleensa — ja yksi hiukkanen, fotoni, voi selittää sekä sähköiset että magneettiset vaikutukset. Teoriassa yksi hiukkanen, gravitoni, voisi tehdä saman gravitaatiolle.

mutta sitten, aivan eri lähtökohdista, on vahva voima. Se muistuttaa sekä painovoimaa että sähkömagnetismia siinä mielessä, että siihen liittyy uudenlainen varaus ja uusia mahdollisuuksia voimalle.

jos ajattelee atomiydintä, on heti tunnistettava, että on oltava lisävoima, joka on voimakkaampi kuin sähkövoima on, muuten protoneista ja neutroneista koostuva ydin lentäisi erilleen sähköiskun takia. Luovasti nimetty vahva ydinvoima on vastuullinen osapuoli, sillä protonien ja neutronien rakenneosissa, kvarkeissa, on sekä sähkövarauksia että uudenlainen varaus: värivaraus.

toisin kuin voisi luulla, väreistä ei kuitenkaan ole kyse. Syy miksi kutsumme sitä värivaraukseksi on se, että yhden perusluonteisen, viehättävän varaustyypin (kuten painovoima) tai kahden vastakkaisen perusvaraustyypin (positiivinen ja negatiivinen, kuten sähkömagnetismi) sijaan vahvaa voimaa hallitsee kolme peruslataustyyppiä, ja ne noudattavat hyvin erilaisia sääntöjä kuin muut, tutummat voimat.

sähkövarauksissa positiivinen varaus voidaan kumota yhtä suurella ja vastakkaisella varauksella — negatiivisella varauksella — saman suuruisella. Värilatauksia varten on kolme peruslataustyyppiä. Jotta kumota yhden värin Maksu yhden tyypin, tarvitset yhden kunkin toisen ja kolmannen tyypin. Yhdistelmä yhtä monta kaikkia kolmea tyyppiä johtaa yhdistelmä, jota kutsumme “väritön”, ja väritön on ainoa yhdistelmä komposiitti hiukkasen, joka on vakaa.

tämä toimii itsenäisesti kvarkeille, joilla on positiivinen värivaraus, ja antikvarkeille, joilla on negatiivinen värivaraus. Jos kuvitat väripyörän, voit laittaa punaisen, vihreän ja sinisen kolmeen yhtä etäällä olevaan kohtaan, kuten tasasivuiseen kolmioon. Mutta punaisen ja vihreän välissä olisi keltainen; vihreän ja sinisen välissä olisi Syaani; punaisen ja sinisen välissä olisi magenta.

nämä välissä olevat värivaraukset vastaavat antihiukkasten värejä: antivärejä. Syaani on sama kuin anti-punainen; magenta on sama kuin anti-vihreä; keltainen on sama kuin anti-sininen. Aivan kuten voit laskea yhteen kolme kvarkkia punaisella, vihreällä ja sinisellä värillä tehdäksesi värittömän yhdistelmän (kuten protonin), voit laskea yhteen kolme antikvarkkia syaanin, magentan ja keltaisen värin kanssa tehdäksesi värittömän yhdistelmän (kuten antiprotonin).

jos tiedät jotain väristä, saatat alkaa miettiä muita tapoja luoda väritön yhdistelmä. Jos kolme eri väriä tai kolme eri antiväriä voisi toimia, ehkä oikea väri-antiväri yhdistelmä voisi saada sinut sinne?

itse asiassa voi. Kvarkin ja antikvarkin oikea yhdistelmä voisi tuottaa värittömän komposiittihiukkasen, joka tunnetaan mesonina. Tämä toimii, koska:

• punainen ja syaani,
• vihreä ja magenta,
• ja sininen ja keltainen

ovat kaikki värittömiä yhdistelmiä. Niin kauan kuin yhteenlasket värittömän nettovarauksen, vahvan voiman säännöt sallivat sinun olla olemassa.

tämä voi aloittaa mielesi joitakin mielenkiintoisia polkuja. Jos punainen + vihreä + sininen on väritön yhdistelmä, mutta myös punainen + syaani on väritön, tarkoittaako se, että vihreä + sininen on sama kuin Syaani?

se on aivan oikein. Se tarkoittaa, että yhden (värillisen) kvarkin parina voi olla jokin seuraavista:

• kaksi ylimääräistä kvarkkia,
• yksi antikvarkki,
• kolme ylimääräistä kvarkkia ja yksi antikvarkki,
• yksi ylimääräinen kvarkki ja kaksi antikvarkkia,
• viisi ylimääräistä kvarkkia,

tai mikä tahansa muu yhdistelmä, joka johtaa värittömään kokonaisuuteen. Kun kuulet eksoottisista hiukkasista, kuten tetrakvarkeista (kaksi kvarkkia ja kaksi antikvarkkia) tai pentakvarkeista (neljä kvarkkia ja yksi antikvarkki), tiedä, että ne noudattavat näitä sääntöjä.

mutta väri on vain analogia, ja se analogia itse asiassa hajoaa melko nopeasti, jos sitä alkaa tarkastella liian yksityiskohtaisesti. Voimakas voima toimii esimerkiksi vaihtamalla gluoneja, jotka kantavat mukanaan väri-antikolori-yhdistelmää. Jos olet sininen kvarkki ja lähetät gluonia, saatat muuttua punaiseksi kvarkiksi, mikä tarkoittaa, että lähettämässäsi gluonissa oli Syaani (anti-punainen) ja sininen värivaraus, jonka avulla voit säästää väriä.

voisi siis ajatella, että kolmella värillä ja kolmella antivärillä gluoneja olisi yhdeksän mahdollista tyyppiä. Loppujen lopuksi, Jos vastasit jokainen punainen, vihreä ja sininen kunkin syaani, magenta ja keltainen, on yhdeksän mahdollista yhdistelmää. Tämä on hyvä ensimmäinen arvaus, ja se on melkein oikein.

gluoneja on kuitenkin vain kahdeksan. Kuvittele, että olet punainen kvarkki ja säteilet punaista/magenta gluonia. Muutat punaisen kvarkin vihreäksi kvarkiksi, koska siten säästät väriä. Tämän jälkeen gluoni löytää vihreän kvarkin, jossa magenta tuhoutuu vihreän kanssa ja jättää punaisen värin taakseen. Tällä tavalla värit vaihtuvat vuorovaikuttavien värillisten hiukkasten välillä.

tämä ajattelutapa on hyvä vain kuudelle gluonille, vaikka:

• punainen / magenta,
• punainen/keltainen,
• vihreä/syaani,
• vihreä/keltainen,
• Sininen/Syaani ja
• Sininen / Syaani.

kun törmää kolmeen muuhun mahdollisuuteen-punaiseen / syaaniin, vihreään/magentaan ja siniseen / keltaiseen — on ongelma: ne ovat kaikki värittömiä.

fysiikassa, aina kun on hiukkasia, joilla on samat kvanttiluvut, ne sekoittuvat toisiinsa. Nämä kolme gluonityyppiä, jotka kaikki ovat värittömiä, sekoittuvat ehdottomasti yhteen. Yksityiskohdat siitä, miten ne sekoitetaan, ovat melko syvällisiä ja ylittävät ei-teknisen artikkelin soveltamisalan, mutta päädyt kahteen yhdistelmään, jotka ovat epätasa-arvoinen yhdistelmä kolmesta eri väristä ja antikoloreista, sekä yhteen yhdistelmään, joka on sekoitus kaikkia värejä/antikoloripareja yhtä paljon.

tuo viimeinen on todella väritön, eikä se voi olla fyysisesti vuorovaikutuksessa minkään värilatauksen omaavan hiukkasen tai antihiukkasen kanssa. Fysikaalisia gluoneja on siis vain kahdeksan. Gluonien vaihto kvarkkien (ja/tai antikvarkkien) välillä ja värittömien hiukkasten vaihto muiden värittömien hiukkasten välillä on kirjaimellisesti se, mikä sitoo atomiytimet yhteen.

voimme kutsua sitä värilataukseksi, mutta vahva ydinvoima noudattaa sääntöjä, jotka ovat ainutlaatuisia kaikkien maailmankaikkeuden ilmiöiden joukossa. Vaikka asetamme värit kvarkkeihin, antivärit antikvarkkeihin ja väri-antikoloriyhdistelmät gluoneihin, se on vain rajallinen analogia. Todellisuudessa yhdelläkään hiukkasella tai antihiukkasella ei ole väriä lainkaan, vaan se vain noudattaa vuorovaikutuksen sääntöjä, jolla on kolme perusluonteista varaustyyppiä, ja vain sellaiset yhdistelmät, joilla ei ole nettovarausta tässä järjestelmässä, saavat olla luonnossa.

tämä monimutkainen vuorovaikutus on ainoa tunnettu voima, joka voi voittaa sähkömagneettisen voiman ja pitää kaksi sähkövarauksen kaltaista hiukkasta sidottuna yhteen, vakaaseen rakenteeseen: atomiytimeen. Kvarkeilla ei oikeastaan ole värejä, mutta niillä on varauksia, joita ohjaa vahva vuorovaikutus. Vain näillä ainutlaatuisilla ominaisuuksilla aineen rakennuspalikat voivat yhdistyä synnyttämään nykyisen universumin.