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永远不会看到单个夸克的颜色是什么

2019-4-24@艾米 0 评论

所有四种已知的自然力量都有自己独特的地方。引力、电磁、弱核、强核:每一个都控制着我们生活中的一小块领域。虽然我们的日常经历主要受地球引力、光和冰箱磁铁的电磁作用的影响,但这两种核力量也起着关键作用,只不过是在极其微小的尺度上。

有多小?想象一下,你自己膨胀成为太阳系的大小。你的双手游过奥尔特云,行星依偎在你的肚脐上方。你是如此之大,电子信号需要数周甚至数月才能通过你的神经系统,即便最简单的手势也会变得很缓慢。这就是你现在的尺寸(大约几米)和10^15米之间的差别。

现在,反过来。再想象一下,多么小的尺度(你的动作以最慢的速度前进的尺度)使你当前的身体感觉像太阳系一样巨大。这个令人难以置信的微小尺度以飞秒计:10 ^ -15米。这是原子核的尺度。

从这里开始,人们很容易将质子视为单个粒子。一种具有正电荷和质量的坚硬外壳,能够像台球一样轻松地弹跳和敲击。但实际上,质子是由三个较小的粒子组成的。这这些粒子有一个令人愉快的古怪名称:夸克。自然界中总共有六种夸克,但为了仔细观察质子,我们只需要关注它们中的两种,即上下夸克。(关于夸克种类,可查阅《介子的破灭,重子的一撮:科学家们发现了超稀有五夸克的配方》

永远不会看到单个夸克的颜色是什么

Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory

就像我说的,质子是夸克的三重态:两个上夸克和一个下夸克。这些夸克作为一个组结合在一起,这个组合体就是我们所说的质子。

不过,这没有任何意义。

两个上夸克具有完全相同的电荷(因为它们是完全相同的粒子),所以它们应该绝对相厌。那为何他们紧紧地粘在一起?

更重要的是,我们从量子力学中知道,两个夸克不能分享完全相同的状态,即你不能让两个相同的夸克像那样束缚在一起。这两个上夸克不应该被允许像那样共存。然而,他们不仅互相容忍,而且似乎真的很喜欢互相作伴!

这是怎么回事?

在20世纪50年代和60年代,物理学家开始意识到质子不是最基本的粒子,它可以分解成更小的部分。所以他们做了一堆实验并发展了一堆理论来破解那个特殊的螺母。他们立刻遇到了:夸克的存在和上面令人费解的难题。

有什么东西把这三个夸克聚在一起了。一些非常,非常强大的东西。一股新的自然力量。

当时假设的强力通过简单的蛮力解决了共存夸克的问题。哦,你不喜欢在一起,因为你不能分享相同的状态?好吧,这太糟糕了,强大的力量无论如何都会让你这么做,而且它会提供解决这个问题的方法。

而每一支力量都有一个连接点。一个钩子。一种告诉这种力量你受它影响有多大的方法。对于电磁力,它是电荷。对于引力来说,是质量。对于强大的核力量,物理学家不得不想出一个新的钩子。夸克通过该力量连接到另一个夸克的方法。物理学家选择了颜色(color)这个词。

因此,如果你或你所知道的粒子具有这种称为颜色的新属性,那么你将感受到强大的核力。你的颜色可以是红色、绿色或蓝色之一(令人困惑的是还有反红色,反绿色和反蓝色)。要构建像质子一样的粒子,夸克的所有色都必须加起来为白色。因此,一个夸克被指定为红色,另一个指定为绿色,最后一个被指定为蓝色。颜色的特定分配实际上并不重要(事实上,个别夸克不断改变颜色),重要的是它们加起来都是白色的,强大的力量可以完成它的工作。

这种新的颜色属性允许夸克在质子内共享一个状态。对于颜色,没有两个夸克是完全相同的-它们现在有不同的颜色。

想象一下,拿两把小钳子抓住质子中的两个夸克。你锻炼身体,所以你能够克服强大的核力量将它们结合在一起。但是这里强大的力量是奇怪的:它不会随着距离而减少。无论这些夸克有多远,强大的力量都会一如既往地保持强大。

因此,当你拉扯那些夸克时,你必须不断增加更多的能量来维持分离。你最终添加了如此多的能量,能量等于质量,所有这些,新的粒子出现在夸克之间的真空中。像其他夸克这样的新粒子。

这些新夸克几乎立即找到他们新分离的朋友,并结合在一起,在他们之间的距离甚至显而易见之前,就把你所有的辛苦和汗水在一瞬间付诸一炬。当你认为你已经分离了夸克时,他们已经找到新的夸克来结合。这种效应被称为夸克限制:强大的力量实际上非常强大,以至于它阻止我们看到单一的夸克

很遗憾,我们永远不会看到单个夸克的颜色是什么。

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。

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