Ein Proton (Vordergrund) besteht aus drei Quarks mit jeweils einer einzigartigen Eigenschaft namens Farbe. Sie werden von der starken Atomkraft festgehalten.
(Bild: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum. Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von Space.com: Op-Ed & Insights.
Alle vier bekannten Naturgewalten haben ihren eigenen einzigartigen Platz. Schwerkraft, Elektromagnetismus, schwacher Kern, starker Kern: Jeder regiert einen kleinen Bereich unseres Lebens. Während unsere alltäglichen Erfahrungen von der Schwerkraft der Erde und dem Elektromagnetismus von Licht- und Kühlschrankmagneten dominiert werden, spielen auch die beiden Kernkräfte eine Schlüsselrolle - nur in sehr, sehr kleinen Maßstäben.
Wie winzig? Stellen Sie sich vor, Sie steigen auf, um die Größe des Sonnensystems zu erreichen. Deine Hände schwimmen durch die Oort Cloud selbst schmiegen sich die Planeten über Ihren Bauchnabel. Sie sind so groß, dass elektrische Signale Wochen oder sogar Monate brauchen, um durch Ihr Nervensystem zu gelangen, was selbst die einfachsten Gesten schmerzhaft langsam macht.
Das ist der Unterschied zwischen Ihrer aktuellen Größe (ungefähr ein paar Meter) und 10 ^ 15 Metern.
Führen Sie es jetzt in umgekehrter Reihenfolge aus. Stellen Sie sich eine Skala vor, die so klein ist, dass sich Ihr aktueller Körper so groß anfühlt wie das Sonnensystem. Eine Skala, auf der Ihre Bewegungen im langsamsten Tempo vorankommen. Diese unglaublich kleine Skala ist das Femtometer: 10 ^ -15 Meter. Es ist die Skala des Atomkerns.
In das Proton
Von hier oben ist es verlockend, sich das Proton als ein einzelnes Teilchen vorzustellen. Eine harte Hülle aus positiver Ladung und Masse, die so leicht wie eine Billardkugel herumspringen und herumschlagen kann. In Wirklichkeit besteht ein Proton jedoch aus drei kleineren Teilchen. Diese Partikel haben den wunderbar skurrilen Namen Quarks. Es gibt insgesamt sechs Arten von Quarks in der Natur, aber für unsere genaue Untersuchung des Protons müssen wir uns nur um zwei von ihnen kümmern, die als Auf- und Ab-Quarks bezeichnet werden.
Wie gesagt, ein Proton ist ein Triplett von Quarks: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark. Diese Quarks verbinden sich als Team, und dieses gebundene Team nennen wir ein Proton.
Außer, dass das keinen Sinn ergeben sollte.
Die beiden Up-Quarks haben genau die gleiche elektrische Ladung (weil sie genau die gleiche Art von Teilchen sind), daher sollten sie sich unbedingt hassen. Wie bleiben sie so fest geklebt?
Und außerdem wissen wir aus der Quantenmechanik, dass zwei Quarks nicht genau den gleichen Zustand haben können - man kann nicht zwei der gleichen Art so miteinander verbinden. Diese beiden Up-Quarks sollten nicht so zusammen existieren dürfen. Und doch tolerieren sie sich nicht nur gegenseitig, sondern scheinen die Gesellschaft wirklich zu genießen!
Was ist los?
Eine andere Farbe
In den 1950er und 1960er Jahren begannen die Physiker zu erkennen, dass das Proton nicht grundlegend ist - es kann in kleinere Teile zerlegt werden. Also machten sie eine Reihe von Experimenten und entwickelten eine Reihe von Theorien, um diese bestimmte Nuss zu knacken. Und sie stießen sofort auf a) die Existenz von Quarks und b) die rätselhaften Rätsel oben.
Etwas hielt diese drei Quarks zusammen. Etwas wirklich sehr, sehr Starkes. Eine neue Naturgewalt.
Die starke Kraft.
Die damals angenommene starke Kraft löste die Probleme koexistierender Quarks durch einfache rohe Gewalt. Oh, du bist nicht gerne zusammen, weil du nicht den gleichen Zustand haben kannst? Schade, die starke Kraft wird dich sowieso dazu bringen, es zu tun, und es wird einen Weg finden, um dieses Problem zu umgehen.
Und jede Kraft hat einen Verbindungspunkt. Ein Haken. Eine Möglichkeit, dieser Kraft zu sagen, wie sehr Sie davon betroffen sind. Für die elektromagnetische Kraft ist es die elektrische Ladung. Für die Schwerkraft ist es die Masse. Für die starke Atomkraft mussten sich die Physiker einen neuen Haken einfallen lassen. Eine Möglichkeit für einen Quark, sich über diese Kraft mit einem anderen Quark zu verbinden. Und Physiker wählten das Wort Farbe.
Wenn Sie oder ein Partikel, von dem Sie wissen, dass es diese neue Eigenschaft namens Farbe hat, spüren Sie die starke Kernkraft. Ihre Farbe kann Rot, Grün oder Blau sein (verwirrenderweise gibt es auch Anti-Rot, Anti-Grün und Anti-Blau, weil das Leben natürlich nicht so einfach ist). Um ein Teilchen wie ein Proton aufzubauen, müssen sich alle Farben der Quarks zu Weiß addieren. Somit wird ein Quark rot, der andere grün und der letzte blau zugewiesen. Die besondere Zuordnung der Farben spielt eigentlich keine Rolle (und tatsächlich ändern die einzelnen Quarks ständig ihre Farbe). Entscheidend ist, dass sie sich alle zu Weiß addieren und dass die starke Kraft ihre Arbeit erledigen kann.
Diese neue Eigenschaft der Farbe ermöglicht es den Quarks, einen Zustand innerhalb eines Protons zu teilen. Mit Farbe sind keine zwei Quarks genau gleich - sie haben jetzt unterschiedliche Farben.
Super Stärke
Stellen Sie sich vor, Sie nehmen zwei kleine Zangen und greifen nach zwei der Quarks im Proton. Sie trainieren, um die Stärke der starken Atomkraft zu überwinden, die sie zusammenhält.
Aber hier ist etwas Seltsames an der starken Kraft: Sie nimmt mit der Entfernung nicht ab. Andere Kräfte wie Schwerkraft und Elektromagnetismus tun dies. Aber die starke Kraft bleibt genauso stark wie immer, egal wie weit diese Quarks voneinander entfernt sind.
Wenn Sie also an diesen Quarks ziehen, müssen Sie immer mehr Energie hinzufügen, um die Trennung aufrechtzuerhalten. Sie fügen schließlich so viel Energie hinzu, dass, da Energie der Masse entspricht und all das, neue Partikel im Vakuum zwischen den Quarks erscheinen. Neue Partikel wie… andere Quarks.
Diese neuen Quarks finden fast sofort ihre neu getrennten Freunde und binden sich zusammen. Sie werfen all Ihre harte Arbeit und Ihren Schweiß in einem einzigen Energieblitz weg, bevor der Abstand zwischen ihnen überhaupt spürbar wird. Bis Sie glauben, die Quarks getrennt zu haben, haben sie bereits neue gefunden, an die sie sich binden können. Dieser Effekt wird als Quarkbegrenzung bezeichnet: Die starke Kraft ist tatsächlich so verdammt stark, dass wir keinen Quark mehr isoliert sehen können.
Es ist eine Schande, dass wir nie sehen werden, welche Farbe es hat.
Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Folge anhören "Was macht die starke Kraft so stark?" im Ask A Spaceman-Podcast, verfügbar bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Vielen Dank an Kayja N. und Ter B. für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter.
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