إن مجموعة مذهلة من الجسيمات والقوى والحقول تملي الأساس دون الذري لكل ما نراه.
بول سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز علوم COSI. Sutter هو أيضا المضيف "اسأل رائد فضاء" و "راديو الفضاء" ، ويقود AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.
لزيارة أرض غريبة حقًا مليئة بالعجائب والغموض ، لا يتعين عليك التسلل عبر خزانة سحرية ، أو ركوب مخلوق طائر لا ينبغي أن يكون قادرًا على الطيران أو القفز بتهور من خلال بوابة إلى بُعد آخر. لا ، كل ما عليك فعله هو فتح مسرع الجسيمات والنظر لأسفل ، لأسفل ، لأسفل.
على المستوى دون الذري ، يتم عرض التنوع الحقيقي وروعة الطبيعة بشكل كامل ، مع مجموعة مذهلة من الجسيمات والقوى والحقول التي تنتشر وتنطلق ، تحكمها قوانين الفيزياء الغامضة تقريبًا. ومع ذلك ، بطريقة ما ، بدلاً من خلق فوضى فوضوية ، فإن جميع تفاعلاتهم المعقدة تنتج العالم الماكروسكوبي المنتظم والمنظم الذي نعرفه. [كواركات وغرائب غريبة ، يا بلدي! أصغر جزيئات الطبيعة المشوهة (رسم توضيحي)]
يمكن للمرء أن يفهم أن العالم الصغير يتم فصله إلى تسلسل هرمي صارم ، مع خطوط واضحة بين الحكام والمحكومين ، بين أولئك الذين يجلسون بشكل مريح في قلاعهم المستقرة والفلاحين المتواضعين الذين ينجزون العمل بالفعل. يتم تحديد التفاعلات بين مختلف المقيمين في حجر من خلال قواعد ثابتة: هناك مكان للجميع ، والجميع لديه مكان.
تعال ، دعنا نذهب.
من الجيد أن تكون الملك
يوجد في مركزها جميع الجسيمات المستقرة الأكثر ضخامة: الكواركات العلوية والسفلية. يسمح لهم طول العمر بالربط معًا في حصون منيعة تقريبًا: قلاع النواة المعروفة باسم البروتونات والنيوترونات. لكن ليست الكواركات نفسها هي التي تقوم بعمل الحفاظ على هذه القلاع النيوكليونية. والواقع أن الكتلة المركبة لجميع الكواركات في النواة أصغر بكثير من كتلة البروتون أو النيوترون.
وبدلاً من ذلك ، فإن الكواركات العلوية والسفلية مشبعة بقدرة خاصة غير معروفة للجسيمات الأخرى في العالم. يمكنهم الشعور بالقوة النووية القوية. هذه هي أقوى قوة حتى الآن ، حيث تلصق الكواركات معًا بشكل مكثف بحيث لا يمكن رؤية واحدة على الإطلاق في عزلة. يشكل هذا التفاعل العمود الفقري غير المرئي لعالمنا الماكروسكوبي. نحن نأخذ البروتونات والنيوترونات كأمر مسلم به - هذه هي الطريقة التي يبنون بها جدران القلعة. وتعود كتلتها في الغالب إلى قوة روابطها النووية الداخلية ، بدلاً من الكواركات الفردية.
لا تتوقف القوة النووية القوية عند مستوى البروتونات والنيوترونات. الغراء الذي يربط الكواركات معًا ، مما يمنحها السيادة على جميع الجسيمات الأخرى ، مهيمن جدًا لدرجة أنه يمكن جمع عدد قليل من هذه القلاع معًا في حصن قوي يعرف باسم النواة الذرية. في حين أن هذه البنية ليست منيعة مثل البروتونات والنيوترونات نفسها ، إلا أن إسقاط النواة لا يزال يتطلب جهدًا هائلاً.
ومع ذلك ، على الرغم من قوتهم الاستبدادية ، فإن نطاق قبضة الكواركات يشبه القلعة الخاصة بهم والمناطق المحيطة بها. ذلك لأن القوة القوية ، على الرغم من قوتها ، محدودة للغاية في النطاق. هذا هو ما يحدد حجم القلاع والحصون ويحافظ على أننا نعتبرها نويات لعالمنا. [7 حقائق غريبة عن الكواركات]
كدح الحقول
أبعد من هذا النطاق المحدود ، تحافظ الكواركات على نطاقاتها تحت السيطرة وتتواصل مع بعضها البعض عبر الرسائل الملكية - الفوتونات. يقفز هؤلاء المبعوثون بسرعة من مكان إلى آخر في الكون ، ولا يتعبون أبداً ، ويحملون القوة الكهرومغناطيسية - الكهرباء والمغناطيسية وحتى الضوء نفسه - إلى أي جسيم له شحنة كهربائية. يمتد هذا التأثير عبر الكون بأكمله ، على الرغم بالطبع ، كلما كنت بعيدًا عن المصدر ، كلما كان التأثير أضعف.
هذا الارتباط الكهرومغناطيسي يحافظ على تحصينات العالم دون الذري في طابور ، وبينما تقضي الكواركات أيامها في وضع الخمول في الراحة النسبية لقلعتهم الآمنة والمعزولة ، فإن "الفلاحين" المضطربين - الإلكترونات - يقومون بكل عمل صنع الاختلافات الغنية من التفاعلات الكيميائية الممكنة. هذا صحيح - إن الإلكترونات المسكينة والغير مناسبة هي التي استعبدت لأصحاب الكواركات. ترتبط النواة بواسطة الكهرومغناطيسية - ولكن عادة ما يتم منعها من الدخول فعليًا بقواعد ميكانيكا الكم - يتم تبادل الإلكترونات بين الذرات ، مما يمنحنا الكيمياء التي تجعل كل شيء تقريبًا حول حياتنا اليومية ممكنًا.
سوف تقوم الكواركات الحاكمة بسعادة بالتداول وسرقة واستعارة إلكترون متواضع من مجال مجاور ، وتشكيل تحركاتها بتحفيز ثقيل من الفوتونات - دون الاهتمام بأمالهم الفردية أو أحلامهم أو طموحاتهم (التدفق الحر عبر الكون ، والتفاف حول المغناطيسية الحقول وهلم جرا).
كامنة في الظلال
لكن ليست كل الجسيمات في الكون محتجزة تحت إبهام الكواركات الاستبدادية. يمكن للبعض أن يتدفق بحرية في جميع أنحاء الكون ، ولا يستشعر القوة القوية ويتجاهل بأمان الوهج المرعب من أي فوتونات عابرة: النيوترينوات. يمكن لهذه الجسيمات الشبحية أن تخفي نفسها في مرمى البصر ، بحيث تكون فوارة لدرجة أننا اعتقدنا لعقود أنها لا تكتمل الكتلة.
تأتي النيوترينوات في ثلاثة أنواع ، الإلكترون-نيوترينو ، الميون نيوترينو وتاو نيوترينو ، لكنهم مقنعون جيدًا لدرجة أنك لست متأكدًا أبدًا من النوع الذي تشاهده. أثناء سفرهم ، يمكنهم التنقل عبر الأقنعة التي يرتدونها ، وتبديل هوياتهم بسهولة باستخدام جاسوس محنك. تحدد أقنعةهم كيفية تفاعلهم (أحيانًا) مع بقية الجسيمات في الكون: سيشارك النيوترينون الإلكتروني فقط في التفاعلات التي تنطوي على الإلكترونات ، على سبيل المثال.
ولكن نظرًا لطبيعة النيوترينوهات المؤذية ، فإن العملية التي تولد نكهة معينة من هذا الجسيم لا يمكن دائمًا تشغيلها في الاتجاه المعاكس للقبض على الصنف الأصلي مرة أخرى - إنها تغير الهويات.
ومع ذلك ، على الرغم من كل الحيل والخداع ، فإن النيوترينوات ليست محصنة ضد التأثير من مجالات الكواركات. ولكن حتى يحدث هذا النوع من التأثير ، فإن القوات الخاصة مطلوبة. الجسيمات الخبيرة التي تسمى بوزونات W و Z ، حاملي القوة النووية الضعيفة ، هي الوحيدة القادرة على التواصل مع النيوترينوهات الفاسدة. في بعض الحالات ، تمكن البوزونات من تحويل النيوترينوات إلى كائنات أكثر امتثالًا ، مثل الإلكترونات.
حتى ذلك الحين ، إنها فرصة محظوظة: في معظم الأحيان ، تفلت النيوترينوهات الخادعة من الشقوق.
لكن مجموعة مهارات تلك البوزونات W و Z ، مقاتلي العمليات السوداء السريين في عالم الجسيمات ، تمتد إلى أبعد من مجرد لقاء النيوترينو النادر. لديهم أيضًا وصول حصري تقريبًا إلى الحرم الداخلي لقلعة النواة ويمكنهم تغيير نوع من الكواركات إلى أخرى. في حالة هروب النيوترون من سلامة النواة الذرية ، يمكن لهذه البوزونات الخاصة تحويل هذا الجسيم إلى بروتون أكثر استقرارًا.
خارج المملكة
بالطبع ، هذا لا يعطي الصورة الكاملة للعالم دون الذري. النموذج القياسي بأكمله ، صورتنا لتلك المخلوقات الصغيرة وكل تفاعلاتهم المشغولة أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا مما يمكن احتواؤه في فقرات قليلة. وعلى الرغم من أن النموذج القياسي هو انتصار للفيزياء الحديثة ، فقد تم إصلاحه معًا بشكل مؤلم على مدار عقود ، مع تنبؤات دقيقة وتجربة دقيقة ، إلا أنه أيضًا صورة غير مكتملة لعالمنا.
أولاً ، لا تتضمن الجاذبية ، والتي يمكن وصفها الآن بشكل أفضل من خلال النظرية النسبية العامة غير المكتملة أيضًا. هناك أيضًا الأسئلة الكونية العالقة حول طبيعة المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، والتي يصمت عليها النموذج القياسي التقليدي (لأن هذه الظواهر تم اكتشافها مؤخرًا فقط). هناك المزيد: كتلة النيوترينو وهرمية القوات وما إلى ذلك.
ولكن على الرغم من كونه بعيدًا عن الاكتمال ، وربما غير راضٍ بعض الشيء في أسلوبه في مضغ العلكة والقناة لنمذجة العالم المادي ، فإن النموذج القياسي مفيد بشكل لا يصدق. يمكن أن يتنبأ بدقة مذهلة بحركات وحركات هؤلاء السكان دون الذرية وجميع مخططاتهم الشائنة.
تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى حلقة "من يعيش في حديقة حيوان الجسيمات؟" على بودكاست "اسأل رائد فضاء" المتوفر على iTunes وعلى الويب على http://www.askaspaceman.com. بفضل Alessandro M. و Roger و Martin N. و Daniel C. وPoZokhr على الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع PaulPaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter.
