Структура пратона, змадэляваная разам з спадарожнымі палямі, паказвае, наколькі ён зроблены з кропачных кваркаў і глюонаў, але ён мае канчатковы істотны памер, які ўзнікае ў выніку ўзаемадзеяння квантавых сіл, якія знаходзяцца ўнутры яго. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Брукхейвена.

Спытайце ў Ітана: Калі матэрыя складаецца з кропкавых часціц, чаму ўсё мае памер?

Усё зроблена з кваркаў, лептонаў, фатонаў і глюонаў, але ўсё ідзе з абмежаваным нулявым памерам.

"Існуе нешта ў тым, каб сядзець у адзіноце ў цемры, што нагадвае вам пра тое, які свет сапраўды вялікі, і наколькі мы ўсе аддаленыя. Зоркі падобныя на тое, што яны так блізка, што вы маглі б працягнуць руку і дакрануцца да іх. Але вы не можаце. Часам усё выглядае значна бліжэй, чым ёсць ". -Камі Гарсія

Вялікая ідэя атамнай тэорыі заключаецца ў тым, што на нейкім маленькім, фундаментальным узроўні пытанне, якое ўтварае ўсё, нельга падзяляць далей. Гэтыя канчатковыя будаўнічыя блокі былі б літаральна ἄ-τομος альбо нерэзаныя. Па меры прасоўвання да меншых маштабаў мы выявілі, што малекулы складаюцца з атамаў, якія складаюцца з пратонаў, нейтронаў і электронаў, і што пратоны і нейтроны могуць быць далей расшчаплены на кваркі і глюоны. Але нават нягледзячы на ​​тое, што кваркі, глюоны, электроны і шмат іншага выглядаюць сапраўды кропкава, усё, што зроблена з іх, мае сапраўдны і абмежаваны памер. Чаму гэта? Вось што хоча ведаць Браян Кобб:

Шмат крыніц сцвярджае, што кваркі - кропкавыя часціцы ... таму можна падумаць, што аб'екты, якія складаюцца з іх - у дадзеным выпадку нейтроны - таксама будуць пунктамі. Хіба мая логіка хібна? Ці яны будуць звязаны адзін з адным такім чынам, што яны прымусяць атрыманы нейтрон мець вуглавы памер?

Давайце спусцімся да самых маленькіх маштабаў і даведаемся, што сапраўды адбываецца.

Ад макраскапічных маштабаў да субатамных, памеры асноўных часціц гуляюць толькі невялікую ролю ў вызначэнні памераў кампазіцыйных структур. Імідж: Магдалена Кавальская / каманда CERN / ISOLDE.

Калі мы паглядзім на матэрыю, у макраскапічным свеце ўсё паводзіць сябе падобна да таго, як мы чакаем, што гэта прыблізна да памеру малекул: нанаметровай (10–9 метра) маштабу. На меншых маштабах, якія пачынаюць дзейнічаць, квантавыя правілы, якія кіруюць асобнымі часціцамі, пачынаюць набываць значэнне. Адзінныя атамы, з якімі электроны арбітуюць у ядры, прыходзяць прыблізна ў памеры ангстрема: 10–10 метраў. Само атамнае ядро, якое складаецца з пратонаў і нейтронаў, у 100 000 разоў менш, чым атамы, у якіх яны знаходзяцца: маштаб 10–15 метраў. Унутры кожнага пратону альбо нейтрона пражываюць кваркі і глюёны. У той час як усе малекулы, атамы і ядра маюць звязаныя з імі памеры, асноўныя часціцы, з якіх яны складаюцца - кваркі, глюоны і электроны, - сапраўды падобныя на кропкі.

Кваркі, антыкваркі і глюоны стандартнай мадэлі маюць каляровы зарад, акрамя ўсіх іншых уласцівасцей, такіх як маса і электрычны зарад. Усе гэтыя часціцы, наколькі мы можам сказаць, сапраўды падобныя. Малюнак: Э. Зігель / Па-за Галактыкай.

Тое, як мы вызначаем, ці ёсць нешта падобнае ці не, - гэта проста сутыкнуцца з усім максімальным узроўнем энергіі і шукаць доказы наяўнасці кампазіцыйнай структуры ўнутры. У квантавым свеце часціцы маюць не проста фізічны памер, але і даўжыня хвалі, звязаная з імі, вызначаецца іх энергіяй. Вышэйшая энергія азначае меншую даўжыню хвалі, а значыць, мы можам даследаваць меншыя і больш заблытаныя структуры. Рэнтгенаўскія прамяні маюць дастаткова высокую энергію, каб зондаваць структуру атамаў, а выявы з рэнтгенаўскай дыфракцыі і крышталяграфіі праліваюць святло на тое, як выглядаюць малекулы і як выглядаюць асобныя сувязі.

Карта шчыльнасці электронаў структуры бялку, вызначаная з дапамогай рэнтгенаўскай крышталяграфіі. Крэдыт малюнка: Імперскі каледж Лондана.

Пры яшчэ большай энергіі мы можам атрымаць яшчэ лепшае дазвол. Паскаральнікі часціц маглі не толькі выбухнуць атамныя ядры адзін ад аднаго, але глыбокае неэластычнае рассейванне выявіла ўнутраную структуру пратона і нейтрона: кваркі і глюоны, якія ляжаць унутры. Цалкам магчыма, што ў нейкі момант па дарозе мы выявім, што некаторыя часціцы, якія мы зараз лічым фундаментальнымі, на самай справе зроблены з саміх меншых утварэнняў. У цяперашні час, аднак, дзякуючы энергіі, дасягнутай LHC, мы ведаем, што калі кваркі, глюоны або электроны не з'яўляюцца асноватворнымі, іх структуры павінны быць менш 10-18 да 10-19 метраў. Наколькі нам вядома, яны сапраўды паказваюць.

Кварк-глюонавая плазма ранняга Сусвету. Хоць мы часта прадстаўляем часціцы, такія як кваркі, глюёны і электроны, як трохмерныя сферы, лепшыя вымярэння, якія мы калі-небудзь праводзілі, паказваюць, што яны не адрозніваюцца ад кропкавых часціц. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Брукхейвена.

Дык як жа ўтвараюцца рэчы з іх больш, чым пункту? Гэта ўзаемадзеянне (да) трох рэчаў:

  1. Сілы,
  2. Ўласцівасці часціц,
  3. і энергетыка.

Кварты, якія мы ведаем, маюць не толькі электрычны зарад, але і (як глюоны) маюць каляровы зарад. У той час як электрычны зарад можа быць станоўчым альбо адмоўным, і, як зарады адштурхоўваюцца, калі супрацьлегласці прыцягваюць, сіла, якая ўзнікае з каляровых зарадаў - моцнай ядзернай сілы - заўсёды прывабная. І гэта працуе, верыш ці не, гэтак жа, як і вясна.

Паказана ўнутраная структура пратона: кваркі, глюёны і спіны кваркаў. Ядзерная сіла дзейнічае як спружына, з нязначнай сілай, калі не расцягваецца, але вялікая, прывабная сіла, калі расцягваецца на вялікія адлегласці. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Брукхейвена.

Калі два аб'екты з зараджаным колерам блізка адзін да аднаго, сіла паміж імі апускаецца да нуля, як спружына, якая зусім не расцягваецца. Калі кваркі знаходзяцца побач, электрычная сіла бярэ на сябе, што часта прыводзіць да ўзаемнага адштурхоўвання. Але калі каляровыя прадметы далёка адзін ад аднаго, моцная сіла ўзмацняецца. Як расцягнутая спружына, яна працуе, каб зняць кваркі назад. Зыходзячы з велічыні каляровых зарадаў і сілы моцнай сілы, а таксама электрычных зарадаў кожнага з кваркаў, менавіта так мы прыходзім да памеру пратона і нейтрона: дзе моцныя і электрамагнітныя сілы прыблізна балансуюць.

Тры кванты валентнасці пратона спрыяюць яго кручэнню, але гэтак жа дзейнічаюць глюоны, марскія кваркі і антыкваркі, а таксама імпульс арбітальнага вугла. Электрастатычнае адштурхоўванне і прывабная моцная ядзерная сіла ў тандэме - гэта тое, што надае пратону свае памеры. Малюнак: APS / Alan Stonebraker.

На крыху большых маштабах моцная сіла ўтрымлівае пратоны і нейтроны разам у атамным ядры, пераадольваючы электрастатычнае адштурхванне паміж асобнымі пратонамі. Гэта ядзерная сіла з'яўляецца рэшткавым эфектам моцнай ядзернай сілы, якая дзейнічае толькі на вельмі невялікіх адлегласцях. Паколькі асобныя пратоны і нейтроны самі па сабе нейтральныя па колеры, абмен апасродкаваны віртуальнымі няўстойлівымі часціцамі, вядомымі як піёны, што тлумачыць, чаму ядра за пэўны памер становяцца нестабільнымі; Півоням бывае цяжка абменьвацца на вялікія адлегласці. Толькі ў выпадку з нейтроннымі зоркамі прыкладанне гравітацыйнай энергіі звязвання падаўляе тэндэнцыю ядра перастаўляць сябе ў больш стабільную канфігурацыю.

Асобныя пратоны і нейтроны могуць быць бясколернымі ўтварэннямі, але паміж імі ўсё яшчэ застаецца моцная рэшткавая сіла. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Manishearth.

А ў маштабе самога атама ключавым з'яўляецца тое, што канфігурацыя нізкага энергіі любога электрона, звязанага з ядром, не з'яўляецца нулявым энергетычным станам, а на самай справе з'яўляецца адносна высокаэнергетычным у параўнанні з масай спакою электрона. Гэтая квантавая канфігурацыя азначае, што самому электрону трэба зашпільваць атам з вельмі высокай хуткасцю; нягледзячы на ​​тое, што ядро ​​і электрон наадварот зараджаны, электрон не проста ўдарыць у ядро ​​і застанецца ў цэнтры. Замест гэтага электрон існуе ў воблачнай канфігурацыі, сціскаючы і круцячыся вакол ядра (і праходзячы праз яго) на адлегласці, якое амаль у мільён разоў больш, чым памер самога ядра.

Узровень энергіі і электронныя хвалі, якія адпавядаюць розным станам у атаме вадароду, хоць канфігурацыі для ўсіх атамаў надзвычай падобныя. Узровень энергіі квантуецца ў кратнасці пастаяннай Планкі, але памеры арбіталяў і атамаў вызначаюцца энергіяй зямнога стану і масай электронаў. Малюнак: PoorLeno з Wikimedia Commons.

Ёсць некалькі пацешных нюансаў, якія дазваляюць вывучыць, як змяняюцца гэтыя памеры ў экстрэмальных умовах. На надзвычай масіўных планетах самі атамы пачынаюць сціскацца з-за вялікіх гравітацыйных сіл, гэта значыць, вы можаце сабраць больш іх у невялікую прастору. Напрыклад, Юпітэр у тры разы перавышае масу Сатурна, але ў памеры толькі каля 20%. Калі вы заменіце электрон у атаме вадароду на мюон, нестабільную электронна-падобную часціцу, якая мае аднолькавы зарад, але ў 206 разоў больш масы, то муональны атам вадароду будзе толькі на 1/206-ю памер звычайнага вадароду. І атам Урана на самай справе большы па памеры, чым асобныя пратоны і нейтроны, калі б вы сабралі іх разам, дзякуючы далёкаму характару электрастатычнага адштурхоўвання пратонаў у параўнанні з кароткачасовым характарам моцных сіла.

Планеты Сонечнай сістэмы, паказаныя ў маштабе сваіх фізічных памераў, паказваюць Сатурн, які амаль такі ж вялікі, як Юпітэр. Аднак Юпітэр у 3 разы масіўнейшы, што паказвае на тое, што яго атамы ў значнай ступені сціскаюцца з-за гравітацыйнага ціску. Малюнак: НАСА.

Маючы розныя сілы пры гульні рознай сілы, вы можаце стварыць пратон, нейтрон ці іншы адрон канчатковых памераў з кваркавых кваркаў. Аб'яднаўшы пратоны і нейтроны, вы зможаце стварыць ядра большага памеру, чым іх асобныя кампаненты, звязаныя паміж сабой, далі б вам. Звязваючы электроны з ядром, вы можаце пабудаваць значна большую структуру, што звязана з тым, што энергія нулявой кропкі электрона, звязанага з атамам, значна большая за нуль. Для таго, каб атрымаць Сусвет, напоўнены структурамі, якія займаюць абмежаваную колькасць прасторы і маюць ненулявы памер, вам не трэба нічога больш, чым нулявыя, кропкавыя будаўнічыя блокі. Сіл, энергіі і квантавых уласцівасцей уласцівых самім часціцам больш чым дастаткова, каб зрабіць гэтую працу.

Дасылайце свае пытанні Ітана да startwithabang на gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".