Kwarki nie mają kolorów

na podstawowym poziomie rzeczywistość jest zdeterminowana tylko przez dwie właściwości naszego wszechświata: kwanty, które składają się na wszystko, co istnieje i interakcje, które zachodzą między nimi. Chociaż zasady rządzące tym wszystkim mogą wydawać się skomplikowane, koncepcja jest niezwykle prosta. Wszechświat składa się z dyskretnych bitów energii, które są połączone w cząstki kwantowe o określonych właściwościach, a te cząstki oddziałują ze sobą zgodnie z prawami fizyki, które leżą u podstaw naszej rzeczywistości.

niektóre z tych właściwości kwantowych regulują, czy i jak cząstka będzie oddziaływać pod określoną siłą. Wszystko ma energię i dlatego wszystko doświadcza grawitacji. Tylko cząstki o odpowiednich rodzajach ładunków doświadczają innych sił, ponieważ ładunki te są niezbędne do wystąpienia sprzężeń. W przypadku silnej siły jądrowej cząstki potrzebują ładunku koloru do interakcji. Tylko, że kwarki nie mają kolorów. Oto, co się dzieje.

chociaż możemy nie zrozumieć wszystkiego o tej rzeczywistości, odkryliśmy wszystkie cząstki Modelu Standardowego i naturę czterech podstawowych sił-grawitacji, elektromagnetyzmu, słabej siły jądrowej i silnej siły jądrowej — które rządzą ich oddziaływaniami. Ale nie każda cząstka doświadcza każdej interakcji; potrzebujesz do tego odpowiedniego rodzaju ładunku.

z czterech podstawowych sił każda cząstka ma nieodłączną jej energię, nawet cząstki bezmasowe, takie jak fotony. Dopóki masz energię, doświadczasz siły grawitacji. Co więcej, istnieje tylko jeden rodzaj ładunku grawitacyjnego: energia dodatnia (lub masa). Z tego powodu siła grawitacji jest zawsze atrakcyjna i występuje pomiędzy wszystkim co istnieje we wszechświecie.

elektromagnetyzm jest nieco bardziej skomplikowany. Zamiast jednego rodzaju ładunku podstawowego istnieją dwa: dodatnie i ujemne ładunki elektryczne. Kiedy podobne ładunki (dodatnie i dodatnie lub ujemne i ujemne) oddziałują, odpychają się, podczas gdy przeciwne ładunki (dodatnie i ujemne) oddziałują, przyciągają.

oferuje to ekscytującą możliwość, że grawitacja nie ma: zdolność do posiadania stanu związanego, który nie wywiera siły netto na zewnętrzny, oddzielnie naładowany obiekt. Gdy równe ilości dodatnich i ujemnych ładunków łączą się w jeden system, otrzymujemy obiekt neutralny: taki, który nie ma do niego ładunku netto. Wolne ładunki wywierają siły atrakcyjne i / lub odpychające, ale nie ładowane systemy. To największa różnica między grawitacją a elektromagnetyzmem: zdolność do posiadania neutralnych układów składających się z niezerowych ładunków elektrycznych.

gdybyśmy wyobrazili sobie te dwie siły obok siebie, moglibyśmy myśleć o elektromagnetyzmie jako o dwóch kierunkach, podczas gdy grawitacja ma tylko jeden kierunek. Ładunki elektryczne mogą być dodatnie lub ujemne, a różne kombinacje dodatnio-dodatnich, dodatnio-ujemnych, ujemnie-dodatnich i ujemnie-ujemnych pozwalają zarówno na przyciąganie, jak i odpychanie. Z drugiej strony grawitacja ma tylko jeden rodzaj ładunku, a zatem tylko jeden rodzaj siły: przyciąganie.

mimo że istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego, wystarczy jedna cząstka, aby zadbać o atrakcyjne i odpychające działanie elektromagnetyzmu: Foton. Siła elektromagnetyczna ma stosunkowo prostą strukturę – dwa ładunki, gdzie tak jak one odpychają, a przeciwieństwa przyciągają-a pojedyncza cząstka, Foton, może odpowiadać zarówno za efekty elektryczne, jak i magnetyczne. Teoretycznie pojedyncza cząstka, grawiton, może zrobić to samo dla grawitacji.

ale wtedy, na zupełnie innej podstawie, jest silna siła. Jest on podobny zarówno do grawitacji, jak i elektromagnetyzmu, w tym sensie, że istnieje nowy rodzaj ładunku i nowe możliwości dla związanej z nim siły.

jeśli myślisz o jądrze atomowym, musisz natychmiast rozpoznać, że musi istnieć Dodatkowa siła, która jest silniejsza niż siła elektryczna, w przeciwnym razie jądro, zbudowane z protonów i neutronów, rozleciałoby się z powodu elektrycznego odpychania. Twórczo nazwana silna siła jądrowa jest stroną odpowiedzialną, ponieważ składniki protonów i neutronów, kwarków, mają zarówno ładunki elektryczne, jak i nowy rodzaj ładunku: ładunek koloru.

wbrew temu, czego można się spodziewać, nie ma w tym żadnego koloru. Powodem, dla którego nazywamy to ładunkiem koloru, jest to, że zamiast jednego podstawowego, atrakcyjnego rodzaju ładunku (takiego jak grawitacja) lub dwóch przeciwnych typów ładunku podstawowego (dodatniego i ujemnego, takiego jak elektromagnetyzm), silna siła jest rządzona przez trzy podstawowe rodzaje ładunku i podlegają one bardzo różnym zasadom niż inne, bardziej znane siły.

w przypadku ładunków elektrycznych ładunek dodatni może zostać anulowany przez równy i przeciwny ładunek — ładunek ujemny — o tej samej wielkości. Ale w przypadku opłat kolorowych mamy trzy podstawowe rodzaje opłat. Aby anulować pojedynczy ładunek koloru jednego typu, potrzebujesz jednego z każdego drugiego i trzeciego typu. Kombinacja jednakowych liczb wszystkich trzech typów daje kombinację, którą nazywamy “bezbarwną”, a bezbarwna jest jedyną stabilną kombinacją cząstek kompozytowych.

działa to niezależnie dla kwarków, które mają dodatni ładunek koloru, i antykwarków, które mają ujemny ładunek koloru. Jeśli narysujesz koło kolorów, możesz umieścić czerwony, zielony i niebieski w trzech równych odległościach, jak trójkąt równoboczny. Ale między czerwonym i zielonym będzie żółty; między zielonym i niebieskim będzie cyjan; między czerwonym i niebieskim będzie magenta.

te pomiędzy ładunkami kolorów odpowiadają kolorom antycząstek: antykolorom. Cyjan jest taki sam jak anty-czerwony; magenta jest taki sam jak anty-zielony; żółty jest taki sam jak anty-niebieski. Tak jak można dodać trzy kwarki o kolorach czerwonym, zielonym i niebieskim, aby stworzyć bezbarwną kombinację (jak proton), tak można dodać trzy antykwarki o kolorach cyjanowym, magentowym i żółtym, aby stworzyć bezbarwną kombinację (jak antyproton).

jeśli wiesz coś o kolorze, możesz zacząć myśleć o innych sposobach generowania bezbarwnej kombinacji. Jeśli trzy różne kolory lub trzy różne antykolory mogłyby zadziałać, może odpowiednia kombinacja kolorów i antykolorów mogłaby cię tam zaprowadzić?

w rzeczywistości może. Można wymieszać odpowiednią kombinację kwarka i antykwarka, aby wytworzyć bezbarwną cząstkę złożoną, znaną jako MEZON. To działa, ponieważ:

• czerwony i cyjan,
• zielony i magenta,
• i niebieski i żółty

są bezbarwnymi kombinacjami. Tak długo, jak dodajesz do bezbarwnej opłaty netto, Zasady silnej siły pozwalają ci istnieć.

to może rozpocząć twój umysł na kilku ciekawych ścieżkach. Jeśli czerwony + zielony + niebieski jest bezbarwną kombinacją, ale Czerwony + Cyjan również jest bezbarwny, czy to oznacza, że zielony + niebieski jest taki sam jak cyjan?

to absolutna racja. Oznacza to, że możesz mieć pojedynczy (kolorowy) kwark sparowany z którymkolwiek z poniższych:

• dwa dodatkowe kwarki,
• jeden antykwark,
• trzy dodatkowe kwarki i jeden antykwark,
• jeden dodatkowy kwark i dwa antykwarki,
• pięć dodatkowych kwarków,

lub jakiejkolwiek innej kombinacji, która prowadzi do bezbarwnej całości. Kiedy słyszymy o cząstkach egzotycznych, takich jak tetrakwarki (dwa kwarki i dwa antykwarki) lub pentakwarki (cztery kwarki i jeden antykwark), wiedzcie, że przestrzegają One tych zasad.

ale kolor jest tylko analogią, i ta analogia naprawdę szybko się rozpadnie, jeśli zaczniesz patrzeć na nią zbyt szczegółowo. Na przykład, sposób działania silnej siły polega na wymianie gluonów, które niosą z sobą kombinację kolorowo-antykolorową. Jeśli jesteś kwarkiem niebieskim i emitujesz gluon, możesz przekształcić się w kwark czerwony, co oznacza, że wyemitowany przez Ciebie gluon zawierał cyjan (anty-czerwony) i ładunek koloru niebieskiego, co pozwala zachować kolor.

wtedy można by pomyśleć, że z trzema kolorami i trzema antykolorami będzie dziewięć możliwych rodzajów gluonu, które można mieć. Po tym wszystkim, jeśli dopasowane każdy z czerwony, zielony i niebieski z każdym z Cyjan, magenta i żółty, istnieje dziewięć możliwych kombinacji. To dobry pierwszy strzał i prawie słuszny.

jak się jednak okazuje, istnieje tylko osiem gluonów. Wyobraź sobie, że jesteś czerwonym kwarkiem i emitujesz czerwony / magenta gluon. Zmienicie czerwony kwark w zielony, ponieważ w ten sposób zachowujecie kolor. Ten gluon znajdzie wtedy zielony kwark, gdzie magenta unicestwi się z zielonym i pozostawi czerwony kolor za sobą. W ten sposób kolory są wymieniane między oddziałującymi na siebie kolorowymi cząstkami.

jednak ten tok myślenia jest dobry tylko dla sześciu gluonów:

• czerwony / magenta,
• czerwony / żółty,
• zielony / cyan,
• Zielony / Żółty,
• niebieski / cyan i
• niebieski/magenta.

gdy napotkasz pozostałe trzy możliwości — Czerwony/Cyjan, Zielony/magenta i niebieski/żółty — pojawia się problem: wszystkie są bezbarwne.

w fizyce, gdy mamy cząstki o tych samych liczbach kwantowych, mieszają się ze sobą. Te trzy rodzaje gluonów, wszystkie są bezbarwne, absolutnie mieszają się ze sobą. Szczegóły ich mieszania są dość głębokie i wykraczają poza zakres nietechnicznego artykułu, ale kończysz z dwoma kombinacjami, które są nierówną mieszanką trzech różnych kolorów i antykolorów, wraz z jedną kombinacją, która jest mieszanką wszystkich par kolorów/antykolorów jednakowo.

ten ostatni jest naprawdę bezbarwny i nie może fizycznie oddziaływać z żadną z cząstek lub antycząstek z ładunkami kolorów. Dlatego istnieje tylko osiem fizycznych gluonów. Wymiana gluonów między kwarkami (i / lub antykwarkami)oraz bezbarwnych cząstek między innymi bezbarwnymi cząstkami jest dosłownie tym, co wiąże jądra atomowe.

możemy to nazwać ładunkiem koloru, ale silna siła jądrowa przestrzega reguł, które są unikalne wśród wszystkich zjawisk we wszechświecie. Podczas gdy kolory przypisujemy kwarkom, antykolory antykwarkom, a kombinacje kolor-antykolor gluonom, jest to tylko ograniczona analogia. W rzeczywistości żadna z cząstek lub antycząstek nie ma w ogóle koloru, ale jedynie przestrzega zasad interakcji, która ma trzy podstawowe rodzaje ładunku i tylko kombinacje, które nie mają ładunku netto w tym systemie, mogą istnieć w naturze.

ta skomplikowana interakcja jest jedyną znaną siłą, która może pokonać siłę elektromagnetyczną i utrzymać dwie cząstki o podobnym ładunku elektrycznym połączone razem w jedną, stabilną strukturę: jądro atomowe. Kwarki tak naprawdę nie mają kolorów, ale mają ładunki regulowane przez silne oddziaływanie. Tylko dzięki tym unikalnym właściwościom, budulce materii mogą połączyć się, aby stworzyć wszechświat, w którym żyjemy dzisiaj.