位置: 首页 » 走近科学 » 微观世界 » 正文

走近科学,探索强大的核力

2019-9-5@艾米 0 评论

正如你可能已经猜到的那样,强大的核力确实是一种非常强大的力。它是如此强大,以至于能够将宇宙中一些最微小的粒子拉长很长时间,可能是永久性的。受强力束缚的粒子构成了我们日常生活的基石:质子和中子。但是,如果你要切开一个质子或中子,你就不会发现一个漂亮、简单的亚原子粒子排列。相反,你会看到令人厌恶的内部,也许是宇宙中最复杂的力之一。

质子和中子不是强力能够制造的唯一物质,但我们并不真正理解其他更复杂、更奇异的排列方式。更重要的是,即使我们的观察和实验本身也非常粗略。但是物理学家们正在努力拼凑出对自然这一基本力的见解。

走近科学,探索强大的核力

强大而复杂

要描述这种强大的力,最好将其与更著名的表亲电磁力进行对比。有了电磁力,事情变得简单、容易和直接;以至于19世纪的科学家们能够大部分解决这个问题。在电磁力的作用下,任何粒子只要具有电荷的性质就可以加入其中。如果你有这个电荷,你就会感觉到并对电磁力作出反应。各种各样的颗粒,各种各样的味道,都带着电荷,就像你花园里的各种电子。

另一个粒子,即光粒子(也称为光子),负责将电磁力从一个带电粒子传输到另一个带电粒子。光子本身没有电荷,也没有质量。它以光速传播,在宇宙中来回摆动,使电磁现象发生。

电荷。电磁力的单一载体。简单、直截了当。

相比之下,有六个粒子受到强核力的影响。作为一个群体,它们被称为夸克,并且具有足够古怪的名称,如上、下、奇异、魅力、底部和顶部。为了感受和响应强大的核力,这些夸克有自己的“电荷”。它不是电荷(虽然它们也有电荷并且也感受到电磁力),但由于各种原因使得事情变得非常混乱,物理学家称这种与强核力相关的特殊电荷为彩色电荷

夸克可以有三种颜色之一,即红色、绿色和蓝色。只是为了澄清,它们不是真正的颜色,而是我们给这个奇怪的,类似电荷的属性的标签。(关于夸克颜色,可以查看《永远不会看到单个夸克的颜色是什么》

因此,夸克感受到了强大的力量,但它是由一大堆其他粒子携带的 – 确切地说是八粒子。它们被称为胶子,它们做得非常好……注意了……将夸克粘在一起。胶子也碰巧具有携带自己的颜色电荷的能力和愿望。他们有质量。

六夸克,八胶子。夸克可以改变它们的颜色电荷,胶子也可以改变,因为为什么不呢。

所有这一切都意味着强大的核力远比它的电磁力表兄更加错综复杂。

非常强大

好吧,我撒谎了。物理学家之所以称夸克和胶子的这种性质为“彩色电荷”,并不仅仅是因为他们喜欢它,而是因为它可以作为一个有用的类比。胶子和夸克可以结合在一起形成更大的粒子,只要所有的颜色加起来是白色的,就像红色、蓝色和绿色的光加起来是白色的一样。最常见的组合是三个夸克,分别是红色、绿色和蓝色。但这里的比喻有点棘手,因为每个夸克可以在任何时候有任何颜色分配给它;重要的是获得正确组合的夸克数量。因此,你可以使用三个夸克组来制作熟悉的质子和中子。你也可以用它的反夸克做一个夸克束缚,在那里颜色与它自己抵消(就像在,绿色和反绿色的配对,这绝不是为了继续下去编出来的),来制造一种叫做介子的粒子。

但这并没有就此结束。

从理论上讲,夸克和胶子加起来是白色的,在技术上是允许的

例如,两个介子(每个介子中都有两个夸克),可以结合在一起称为四夸克。在某些情况下,你可以添加第五个夸克来混合,仍然平衡所有颜色,称为(你猜对了)一个五夸克。

四夸克甚至不需要在技术上结合在一个粒子中。它们可以简单地彼此靠近,形成所谓的氢分子(hydronic molecule)。

这有多疯狂:胶子本身可能甚至不需要夸克来制造粒子。宇宙中可能有一团胶子,相对稳定。他们叫胶球强核力所允许的所有可能束缚态的范围称为夸克偶素谱,这不是科幻电视剧作家编造的名字。可能存在各种各样的夸克和胶子的疯狂潜在组合。是吗?

夸克彩虹

几十年来,物理学家一直在进行强大的核力实验,比如Baber实验和大型强子对撞机中的一些实验,多年来慢慢地建立更高的能量水平来探测越来越深的夸克偶素频谱。在这些实验中,物理学家发现了许多奇异的夸克和胶子集合。实验主义者为他们提供了时髦的名字,比如χc2(3930)。

这些奇异的潜在粒子只是短暂的存在,但在许多情况下确实存在。但是物理学家很难将这些短暂产生的粒子与我们认为应该存在的理论粒子联系起来,比如四夸克和胶球。

建立联系的问题是,数学真的很难。与电磁力不同,很难做出涉及强核力的可靠预测。与电磁力不同的是,要做出包含强大核力的可靠预测是非常困难的。这不仅仅是因为夸克和胶子之间复杂的相互作用。在非常高的能量下,强大的核力的强度实际上开始减弱,使得数学简化。但是在能量较低的情况下,就像将夸克和胶子结合在一起制造稳定粒子所需的能量一样,强大的核力实际上非常强大。这种力量的增强使数学更难计算。

理论物理学家已经提出了一系列技术来解决这个问题,但这些技术本身要么不完整,要么效率低下。虽然我们知道夸克偶素谱中存在一些这些奇异状态,但很难预测它们的性质和实验特征。

尽管如此,物理学家仍在努力,正如他们一直在努力的那样。慢慢地,随着时间的推移,我们正在积累在对撞机中产生的奇异粒子的集合,并对理论夸克态应该是什么样子做出越来越好的预测。火柴慢慢地聚集在一起,给我们一个更完整的宇宙中这种奇怪但基本的力的画面。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

支付宝扫码打赏 微信扫码打赏

打赏一下,后续米粮更可口

喜欢 0

上一篇:

  • 更多喜欢
  • 无聊晒图
  • 米粮推荐
  • -暂无相关文章-