何が強い力を特別なものにしているのですか？

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陽子（前景）は3つのクォークで構成され、それぞれに色と呼ばれる固有の特性があります。彼らは強い核力によって引き締まっている。

（画像：©ローレンスバークレー国立研究所）

ポール・M・サッター の天体物理学者です オハイオ州立大学、多数の 宇宙飛行士に聞く そして 宇宙ラジオ、作者 宇宙でのあなたの場所。サッターはこの記事を寄稿しました Space.comの専門家の声：Op-Ed＆Insights.

知られている4つの自然の力すべてに独自の場所があります。重力、電磁気学、弱い核、強い核：それぞれが私たちの生活の小さな領域を支配しています。私たちの日常の経験は地球の重力と光と冷蔵庫の磁石の電磁気によって支配されていますが、双子の核力も非常に小さなスケールで重要な役割を果たしています。

ちっちゃい？自分が太陽系のサイズになるまで膨れ上がるのを想像してみてください。あなたの手はオールトクラウドそれ自体、惑星はおへその上に寄り添います。あなたは非常に大きいので、電気信号が神経系を通過するまでに数週間または数カ月もかかるため、最も単純なジェスチャーでさえ痛々しく遅くなります。

これが、現在のサイズ（およそ数メートル）と10 ^ 15メートルの違いです。

今、逆に実行します。あなたの現在の体が太陽系と同じくらい広大に感じられるほど小さいスケールを想像してみてください。最も遅いペースで動きが変化するスケール。この信じられないほど小さなスケールは、フェムトメーターです：10 ^ -15メートル。原子核のスケールです。

陽子に

ここまで行くと、陽子を単一の粒子と考えたくなります。正の電荷と質量のハードシェルで、ビリヤードボールのように簡単に跳ね返ったり、ノックしたりできます。しかし実際には、陽子は3つの小さな粒子でできています。これらの粒子は、クォークの楽しい風変わりな名前を持っています。自然界には合計6種類のクォークがありますが、陽子を詳しく調べるには、アップクォークとダウンクォークという2つのクォークのみを考慮する必要があります。

私が言ったように、陽子はクォークのトリプレットです：2つのアップクォークと1つのダウンクォーク。これらのクォークはチームとして結合し、その結合したチームが私たちが陽子と呼んでいるものです。

ただし、それは意味をなさないはずです。

上の2つのクォークはまったく同じ電荷を持っているため（それらはまったく同じ種類の粒子であるため）、それらは互いに完全に憎むべきです。彼らはどのようにしてしっかりと接着されたままですか？

さらに、量子力学から、2つのクォークがまったく同じ状態を共有することはできません。同じ種類の2つのクォークを一緒にバインドすることはできません。それらの2つのクォークがそのように共存することは許されるべきではありません。それでも、彼らはお互いに寛容であるだけでなく、会社を本当に楽しんでいるようです！

どうしたの？

別の色

1950年代と60年代に、物理学者たちは陽子は基本的ではないことに気づき始めました。陽子はより小さな部分に分解することができます。そのため、彼らは一連の実験を行い、その特定のナッツを割る理論をまとめました。そして、彼らはすぐにa）クォークの存在とb）上記の不可解な難問に遭遇しました。

何かがそれらの3つのクォークを一緒に保持していました。本当に、本当に強い何か。自然の新しい力。

強い力。

当時は仮説だった強力な力が、共存するクォークの問題を単純な力で解決した。ああ、同じ状態を共有できないので一緒にいるのは嫌いですか？まあ、ひどすぎる、強い力はとにかくそれをやらせ、それはその問題を回避する方法を提供するでしょう。

そして、すべての力には接続点があります。フック。その力があなたにどれだけ影響を受けているかを伝える方法。電磁力の場合、それは電荷です。重力の場合は質量です。強い核力のために、物理学者は新しいフックを考え出さなければなりませんでした。クォークがその力を介して別のクォークに接続する方法。そして、物理学者たちは色という言葉を選びました。

したがって、あなたまたはあなたが知っている粒子が色と呼ばれるこの新しい特性を持っている場合、強い核力を感じるようになります。あなたの色は赤、緑、青のいずれかです（もちろん、人生はそれほど単純ではないため、赤、緑、青を混同しています）。陽子のような粒子を作成するには、クォークのすべての色を合計して白にする必要があります。したがって、1つのクォークは赤に割り当てられ、もう1つのクォークは緑に割り当てられ、最後のクォークは青に割り当てられます。色の特定の割り当ては実際には重要ではありません（実際、個々のクォークは常に色を変えます）。重要なのは、それらがすべて合計して白になり、強い力がその作業を実行できることです。

この色の新しい特性は、クォークが陽子内部の状態を共有できるようにするものです。色を使用すると、2つのクォークがまったく同じになることはありません。これらのクォークは異なる色になります。

スーパーストレングス

2つの小さなペンチを取り、陽子で2つのクォークをつかむことを想像してください。あなたは運動するので、あなたはそれらを一緒に保持している強い核力の強さを克服することができます。

しかし、これは強い力について奇妙なものです：それは距離によって減少しません。重力や電磁気学のような他の力が行います。しかし、強い力は、それらのクォークがどれほど離れていても、いつもと同じくらい強いままです。

したがって、それらのクォークを引っ張るとき、分離を維持するために、ますます多くのエネルギーを追加し続ける必要があります。最終的に、エネルギーが質量に相当するほど多くのエネルギーを追加すると、クォーク間の真空に新しい粒子が現れます。 …他のクォークのような新しい粒子。

これらの新しいクォークは、すぐに新しく分離された友達を見つけて結合し、すべてのハードワークを投げて、それらの間の距離が目立つ前に、一瞬のエネルギーで汗をかきます。あなたがクォークを分けたと思うときまでに、彼らは結合する新しいクォークをすでに見つけています。この効果は、クォークの閉じ込めとして知られています。強い力は実際には非常に強いため、クォークを孤立して見ることはできません。

それは私たちがその色が何であるかを見ることが決して得られないのは残念です。

エピソードを聞いて詳細を学ぶ「強い力をそれほど強くするものは何ですか？」 iTunesおよびWebのhttp://www.askaspaceman.comで入手可能なAsk A Spacemanポッドキャストで。この作品につながった質問について、Kayja N.とTer B.に感謝します。 Twitterで#AskASpacemanを使用するか、Paul @PaulMattSutterおよびfacebook.com/PaulMattSutterをフォローして、質問を投稿してください。