พลังที่แข็งแกร่งคืออะไร?

แรงที่แข็งแกร่งหรือแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเป็นหนึ่งในกองกำลังพื้นฐานสี่ประการของธรรมชาติพร้อมกับแรงโน้มถ่วง-แม่เหล็กไฟฟ้าและพลังที่อ่อนแอ ตามชื่อที่แนะนำพลังที่แข็งแกร่งคือแข็งแกร่งที่สุดพลังของทั้งสี่ มันผูกอนุภาคพื้นฐานของสสารเรียกว่าควาร์กเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่

แต่ในเดือนสิงหาคม 2566 การค้นพบใหม่เรียกว่ากองกำลังที่แข็งแกร่งเป็นคำถาม ด้วยการทุบไอโซโทปของออกซิเจนด้วยลำแสงของอะตอมฟลูออรีนนักฟิสิกส์ได้สร้างออกซิเจน 28 ในที่สุด-รูปแบบที่หายากของออกซิเจนที่คาดการณ์ไว้นาน ปัญหาเดียวคือมันไม่ใช่- ออกซิเจน -28 สลายตัวภายใน Zeptosecond หรือหนึ่งล้านล้านของพันล้านวินาที สิ่งนี้ทำให้นักฟิสิกส์งงงวยและรุ่นมาตรฐาน(ทฤษฎีอายุห้าทศวรรษเกี่ยวกับวิธีการที่อนุภาคควรประพฤติตน) เปิดรับข้อสงสัย

แรงที่แข็งแกร่งในแบบจำลองมาตรฐาน

ทฤษฎีการปกครองของฟิสิกส์อนุภาคคือรุ่นมาตรฐานซึ่งอธิบายถึงการสร้างบล็อกพื้นฐานของสสารและวิธีการโต้ตอบ ทฤษฎีดังกล่าวได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 1970 และเมื่อเวลาผ่านไปและผ่านการทดลองหลายครั้งเซิร์นองค์กรการวิจัยนิวเคลียร์ในยุโรป

ภายใต้โมเดลมาตรฐานหนึ่งในพื้นฐานที่เล็กที่สุดและพื้นฐานที่สุดอนุภาคประถมหรือผู้ที่ไม่สามารถแยกออกเป็นส่วนเล็ก ๆ ได้คือควาร์ก อนุภาคเหล่านี้เป็นหน่วยการสร้างของอนุภาคขนาดใหญ่ที่รู้จักกันในชื่อ Hadrons ซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้เห็นข้อบ่งชี้ใด ๆ ว่ามีอะไรที่เล็กกว่าควาร์ก แต่พวกเขายังคงมองหา

แรงที่แข็งแกร่งถูกเสนอเป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายว่าทำไมนิวเคลียสอะตอมไม่บินออกจากกัน ดูเหมือนว่าพวกเขาจะทำเช่นนั้นเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่น่ารังเกียจระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกซึ่งอยู่ในนิวเคลียส นักฟิสิกส์ในภายหลังพบว่ากองกำลังที่แข็งแกร่งไม่เพียง แต่ยึดนิวเคลียสด้วยกัน แต่ยังรับผิดชอบในการผูกควาร์กที่ประกอบขึ้นด้วย Hadrons

"การโต้ตอบที่แข็งแกร่งมีความสำคัญใน ... การถือ Hadrons ด้วยกัน" ตาม "กองกำลังทั้งสี่"วัสดุหลักสูตรฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยดุ๊ก" การมีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งพื้นฐานถือควาร์กที่เป็นส่วนประกอบของ Hadron ด้วยกันและกองกำลังที่เหลือถือ Hadrons ร่วมกันเช่นโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส "

ควาร์กและฮาดรอนส์

ควาร์กถูกตั้งทฤษฎีในปี 2507 โดยนักฟิสิกส์ Murray Gell-Mann และ George Zweig และนักฟิสิกส์ได้สังเกตอนุภาคที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Stanford Linear Accelerator ครั้งแรกในปี 1968มูลนิธิโนเบลGell-Mann เลือกชื่อซึ่งได้รับการกล่าวขานว่ามาจากบทกวีในนวนิยายเรื่อง "Finnegans Wake" โดย James Joyce:

"สามควาร์กสำหรับมาร์คผู้ชุมนุม! แน่ใจว่าเขาไม่ได้มีเปลือกไม้มากนักและแน่ใจว่าเขามีทุกอย่างอยู่ข้างเครื่องหมาย-

"การทดลองที่ตัวเร่งอนุภาคในยุค 50 และยุค 60 แสดงให้เห็นว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นเพียงตัวแทนของตระกูลขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Hadrons มากกว่า 100 [ตอนนี้มากกว่า 200] Hadrons บางครั้งเรียกว่า 'สวนสัตว์ Hadronic'อนุภาคและนิวเคลียส: การแนะนำแนวคิดทางกายภาพ"(Springer, 2008)

นักวิทยาศาสตร์มีรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการที่ควาร์กเป็นอนุภาค Hadron เหล่านี้ "Hadrons มีสองประเภท: Baryons และ Mesons" Lena Hansen เขียนไว้ใน "แรงสี"กระดาษที่ตีพิมพ์ออนไลน์โดย Duke University" Baryon ทุกแห่งประกอบด้วยสามควาร์กและ Meson ทุกแห่งทำจากควาร์กและ antiquark "ยาปฏิสตคู่ของควาร์กที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม Baryons เป็นคลาสของอนุภาคที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน Mesons เป็นอนุภาคระยะสั้นที่ผลิตในตัวเร่งอนุภาคขนาดใหญ่และในการโต้ตอบกับพลังงานสูงรังสีคอสมิก-

รสชาติและสีสันของควาร์ก

ควาร์กมีรสชาติที่แตกต่างกัน(เครดิตภาพ: Shutterstock)

ควาร์กมีหกสายพันธุ์ที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "รสชาติ" เพื่อเพิ่มมวลเพิ่มขึ้นพวกเขาจะถูกเรียกว่าขึ้นลงแปลกเสน่ห์มีเสน่ห์ด้านล่างและด้านบน ควาร์กขึ้นและลงมีความเสถียรและทำโปรตอนและนิวตรอนวิทยาศาสตร์สดรายงานก่อนหน้านี้- ตัวอย่างเช่นโปรตอนประกอบด้วยควาร์กสองตัวและควาร์กลงและแสดงว่าเป็น (UUD)

รสชาติที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นนั้นเกิดขึ้นในการโต้ตอบพลังงานสูงและการสลายตัวอย่างรวดเร็วมาก โดยทั่วไปแล้วจะสังเกตได้ใน Mesons ซึ่งสามารถมีการผสมผสานของรสชาติที่แตกต่างกันเป็นคู่ quark-antiquark สุดท้ายของสิ่งเหล่านี้ควาร์กอันดับต้น ๆ ได้รับการทฤษฎีในปี 1973 โดย Makoto Kobayashi และ Toshihide Maskawa แต่ไม่ได้สังเกตจนกระทั่งปี 1995 ในการทดลองเร่งความเร็วที่ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi (Fermilab) Kobayashi และ Maskawa ได้รับรางวัล2008 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการทำนายของพวกเขา

ควาร์กมีทรัพย์สินอื่นและมีหกอาการ คุณสมบัตินี้มีป้ายกำกับว่า "สี" แต่ไม่ควรสับสนกับความเข้าใจทั่วไปของสี อาการทั้งหกนั้นเรียกว่าสีแดง, น้ำเงิน, เขียว, antive, antiblue และ antigreen สีทับทิมเป็นของ antiquarks อย่างเหมาะสม คุณสมบัติสีอธิบายว่าควาร์กสามารถปฏิบัติตามหลักการยกเว้น Pauli ได้อย่างไรซึ่งระบุว่าไม่มีวัตถุที่เหมือนกันสองชิ้นที่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ Hansen กล่าว นั่นคือควาร์กที่ทำขึ้น Hadron เดียวกันจะต้องมีสีที่แตกต่างกัน ดังนั้นควาร์กทั้งสามใน baryon มีสีที่แตกต่างกันและ meson จะต้องมีควาร์กสีและ antiquark ของสีแดงที่สอดคล้องกัน

กลูออนและพลังที่แข็งแกร่ง

อนุภาคของการถ่ายโอนพลังงานโดยการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่มีแรงผลักดันซึ่งรู้จักกันในชื่อ bosons ซึ่งกันและกัน แรงที่แข็งแกร่งนั้นดำเนินการโดย boson ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า "gluon" ดังนั้นจึงตั้งชื่อเพราะอนุภาคเหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "กาว" ที่ถือนิวเคลียสและ baryons ที่เป็นส่วนประกอบของมันเข้าด้วยกัน สิ่งแปลก ๆ เกิดขึ้นในการดึงดูดระหว่างสองควาร์ก: แรงที่แรงไม่ลดลงเมื่อระยะห่างระหว่างสองอนุภาคเช่นแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในความเป็นจริงมันเพิ่มขึ้นคล้ายกับการยืดของสปริงเชิงกล

เช่นเดียวกับสปริงเชิงกลมีระยะทาง จำกัด ที่ควาร์กสองลำสามารถแยกออกจากกันซึ่งเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน เมื่อถึงขีด จำกัด นี้พลังงานอันยิ่งใหญ่ที่ต้องใช้เพื่อให้เกิดการแยกจะถูกแปลงเป็นมวลในรูปแบบของคู่ quark-antiquark การแปลงพลังงานเป็นมวลนี้เกิดขึ้นตามไอน์สไตน์สมการที่มีชื่อเสียงอี-MC2 - หรือในกรณีนี้ม.-E/C2 - ที่ไหนอีเป็นพลังงานม.เป็นมวลและCเป็นความเร็วของแสง เนื่องจากการแปลงนี้เกิดขึ้นทุกครั้งที่เราพยายามแยกควาร์กออกจากกันจึงไม่ได้สังเกตควาร์กฟรีและนักฟิสิกส์ไม่เชื่อว่าพวกเขามีอยู่เป็นอนุภาคของแต่ละบุคคล ในหนังสือของเขา "วัดทฤษฎีของปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งอ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า: รุ่นที่สอง"(สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน, 2013), Chris Quigg แห่งรัฐ Fermilab," การสังเกตที่ชัดเจนของควาร์กฟรีจะเป็นการปฏิวัติ "

กำลังแรงที่เหลืออยู่

เมื่อควาร์กสามก้อนถูกผูกไว้ด้วยกันในโปรตอนหรือนิวตรอนแรงที่แข็งแกร่งที่เกิดจากกลูออนนั้นส่วนใหญ่เป็นกลางเพราะเกือบทั้งหมดจะไปสู่การผูกควาร์กเข้าด้วยกัน เป็นผลให้แรงถูก จำกัด อยู่ในอนุภาคเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตามส่วนเล็ก ๆ ของแรงนั้นทำหน้าที่นอกโปรตอนหรือนิวตรอน ส่วนของแรงนี้สามารถทำงานได้ระหว่างโปรตอนและนิวตรอนรู้จักกันในชื่อนิวคลีน

ตามที่ Constantinos G. Vayenas และ Stamatios N.-A. Souentie ในหนังสือของพวกเขา "แรงโน้มถ่วงสัมพัทธภาพพิเศษและพลังที่แข็งแกร่ง"(Springer, 2012)" เห็นได้ชัดว่าแรงระหว่างนิวเคลียสเป็นผลหรือผลข้างเคียงของแรงที่แข็งแกร่งและพื้นฐานมากขึ้นซึ่งผูกเข้าด้วยกันควาร์กในโปรตอนและนิวตรอน "ผลข้างเคียงนี้เรียกว่า

ซึ่งแตกต่างจากแรงที่แรงแม้ว่าแรงที่แรงที่เหลือจะลดลงอย่างรวดเร็วในระยะทางสั้น ๆ และมีความสำคัญเฉพาะระหว่างอนุภาคที่อยู่ติดกันภายในนิวเคลียส อย่างไรก็ตามแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่น่ารังเกียจลดลงช้าลงดังนั้นมันจึงทำหน้าที่ข้ามนิวเคลียสทั้งหมด ดังนั้นในนิวเคลียสที่หนักโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่มีตัวเลขอะตอมมากกว่า 82 (ตะกั่ว) ในขณะที่แรงนิวเคลียร์บนอนุภาคยังคงคงที่เกือบแรงแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดในอนุภาคนั้นจะเพิ่มขึ้นด้วยจำนวนอะตอมจนถึงจุดที่ในที่สุดมันสามารถผลักนิวเคลียสออกจากกัน "ฟิชชันสามารถมองเห็นได้ว่าเป็น 'ชักเย่อ-สงคราม' ระหว่างกองกำลังนิวเคลียร์ที่น่าดึงดูดใจและกองกำลังไฟฟ้าสถิตที่น่ารังเกียจ"วิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ของ ABC- "ในปฏิกิริยาฟิชชันการขับไล่ไฟฟ้าสถิตจะชนะ"

พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการแตกของพันธะแรงที่เหลืออยู่นั้นใช้รูปแบบของอนุภาคความเร็วสูงและรังสีแกมม่าผลิตสิ่งที่เราเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี การชนกับอนุภาคจากการสลายตัวของนิวเคลียสใกล้เคียงสามารถตกตะกอนกระบวนการนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ พลังงานจากฟิชชันของนิวเคลียสหนักเช่นยูเรเนียม -235 และพลูโทเนียม -239 เป็นสิ่งที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และระเบิดปรมาณู-

ข้อ จำกัด ของโมเดลมาตรฐาน

นอกเหนือจากอนุภาค subatomic ที่เป็นที่รู้จักและคาดการณ์ทั้งหมดโมเดลมาตรฐานยังรวมถึงแรงที่แข็งแกร่งและอ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้าและอธิบายว่ากองกำลังเหล่านี้ทำหน้าที่อย่างไรกับอนุภาคของสสาร อย่างไรก็ตามทฤษฎีไม่รวมแรงโน้มถ่วง- การปรับแรงโน้มถ่วงให้เข้ากับกรอบของแบบจำลองทำให้นักวิทยาศาสตร์นิ่งงันมานานหลายทศวรรษ แต่ตาม CERN ในระดับของอนุภาคเหล่านี้ผลของแรงโน้มถ่วงนั้นมีขนาดเล็กมากจนแบบจำลองทำงานได้ดีแม้จะมีการยกเว้นแรงพื้นฐานนั้น

แบบจำลองมาตรฐานยังทำนายว่าไอโซโทปออกซิเจน -28 ควรมีความเสถียร ในฐานะที่เป็น Fermions โปรตอนและนิวตรอนไม่สามารถทับซ้อนกันได้ Intead พวกมันซ้อนกันเป็นเปลือกหอยที่ไม่ต่อเนื่องภายในนิวเคลียสอะตอม

เมื่อกระสุนเหล่านี้เต็มไปด้วยอะตอมจะมีความเสถียรเป็นพิเศษหรือ "เวทมนตร์" และไม่จำเป็นต้องสลายตัวในรูปแบบที่มีเสถียรภาพมากขึ้น แต่ออกซิเจน -28 สลายตัวอย่างไม่น่าเชื่ออย่างรวดเร็วในส่วนที่น้อยที่สุดของวินาที

สิ่งนี้มีความหมายสำหรับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกองกำลัง subatomic นั้นไม่ชัดเจน แต่มันสามารถแนะนำได้ว่าฟิสิกส์ที่ลึกและไม่รู้จักกำลังกำหนดพฤติกรรมของไอโซโทปที่แปลกประหลาด เพราะพลังที่แข็งแกร่งคือสิ่งที่ยึดอะตอมเข้าด้วยกันรวมถึงการปกครองการกระทำของพวกเขาในช่วงเวลาสั้น ๆ เหล่านี้จึงเป็นพลังที่การค้นพบใหม่เรียกคำถาม

ทรัพยากรเพิ่มเติม

Cern สร้างเว็บไซต์ที่หลากหลายซึ่งอธิบายถึงความซับซ้อนทั้งหมดของความพยายามของเราที่จะเข้าใจพลังที่แข็งแกร่งซึ่งคุณสามารถดูได้ที่นี่- นอกจากนี้คุณยังสามารถตรวจสอบการสาธิตแบบโต้ตอบได้ทั้งบนเว็บหรือผ่านทางแอพพลิเคชั่นการผจญภัยของอนุภาค- หากคุณมีอารมณ์ฟังมากขึ้นตรวจสอบตอนพอดคาสต์นี้ขุดลงไปในพลังที่แข็งแกร่ง

บรรณานุกรม

Constantine, G. et al.แรงโน้มถ่วงสัมพัทธภาพพิเศษและแรงที่แข็งแกร่ง(Springer Science & Business Media, 2012)

Quigg, C.วัดทฤษฎีของปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งอ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า(สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน, 2013)

Povh, B. et al.อนุภาคและนิวเคลียส: การแนะนำแนวคิดทางกายภาพ(Springer Science & Business Media, 2008)

Thacker, T. (1995, 29 มกราคม)กองกำลังทั้งสี่ https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/forces.html#005

Hansen, L. (1997, 27 ก.พ. )แรงสี https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/hansen.html

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกที่ส่งตรงไปยังกล่องจดหมายของคุณ