Здравствуйте, друзья! Довольно часто читаю на Дзене статьи о проблемах в семье. Мужья жалуются на жен, жены - на мужей, считают, кто кому и сколько должен, люди разводятся, делят имущество, делают несчастными себя и своих детей. Становится грустно и хочется понять, почему так происходит и как этого избежать. Но я не психолог, и плохо понимаю людей, поэтому подойду с позиций физики. Как там у элементарных частиц обстоят дела с взаимоотношениями?
Виды взаимодействий в природе
Как известно, есть 4 вида взаимодействия: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.
- Гравитация действует на любые частицы, обладающие массой, но образовать "семью" только за счет гравитации невозможно. Гравитация формирует огромные сообщества частиц, такие как звезды и планеты.
- Слабое взаимодействие не формирует системы частиц.
- Электромагнитное взаимодействие формирует атомы. Такая система, как атом, имеет некоторую аналогию с семьей. Есть ядро, есть электроны, и они взаимодействуют силами Кулона как положительные и отрицательные заряды. Но такая семья, на мой взгляд, не является идеалом - ядро и электрон сильно отличаются по массе, есть неравноправие. Электроны могут находиться только на строго определенных орбитах, и переходить обязательно с излучением фотона.
- Сильное взаимодействие формирует протоны и нейтроны из кварков, а также ядра из протонов и нейтронов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. На мой взгляд, именно сильное взаимодействие наиболее адекватно описывает идеальную семью, и нам, людям, есть чему поучиться у элементарных частиц.
Состав семьи кварков
Кварки бывают шести видов (или, как их называют, ароматов). Стабильные частицы, из которых состоит всё известное вещество, состоят из двух ароматов кварков - u-кварк (up, верхний) и d-кварк (down, нижний). U-кварк имеет положительный заряд +2/3 e, d-кварк - отрицательный заряд -1/3 e (e-элементарный электрический заряд). Протон состоит из двух u-кварков и одного d, а нейтрон - из двух d и одного u.
Остальные кварки - странный, очаровательный, красивый и истинный (s,c,b,t) тоже формируют частицы, но они нестабильны, их пока рассматривать не будем.
Кроме ароматов, кварки имеют еще такую характеристику, как цвет. Это условное название квантового числа, к оптике отношения не имеет. Цвет бывает красный, зеленый и синий, и цвет может меняться в процессе сильного взаимодействия. Цвета кварков смешиваются также, как цвета RGB на экране монитора - сумма красного, зеленого и синего дает ахроматический белый.
Кварки формируют семьи-частицы по следующим принципам:
- Общий заряд должен быть кратен элементарному электрическому заряду
- Общий цвет должен быть ахроматическим.
Секреты семейного счастья кварков
Семейное счастье кварков связано с особенностями сильного взаимодействия.
Сильное взаимодействие отличается от остальных своей нетривиальной зависимостью от расстояния. У электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия сила взаимодействия убывает с расстоянием, но в сильном взаимодействии все наоборот. Как только расстояние становится сравнимым с размером нуклона, энергия взаимодействия становится колоссальной, и растет с увеличением расстояния. Это свойство называется конфайнмент.
С конфайнментом связана также асимптотическая свобода. Это означает, что на малых расстояниях кварки практически не чувствуют взаимодействия, сила стремится к нулю. Внутри нуклона кварки не связаны, ощущают себя свободными
Кварки связаны между собой глюонами - переносчиками сильного взаимодействия. Глюон имеет два цветовых квантовых числа. Например, из красного кварка-папы вылетает "красный-антизеленый" глюон, уносит красный цвет, папа становится зеленым. Этот глюон поглощается другим, зеленым кварком-мамой, она теряет свой зеленый цвет и становится красной. Получается, что с помощью глюона "папа" и "мама" обменялись цветами. И такой обмен глюонами происходит постоянно. Кваркам никогда не бывает скучно.
Константа взаимодействия, то есть вероятность генерации глюона, равна единице! В отличие от остальных взаимодействий, где константа меньше единицы, в сильном взаимодействии глюоны просто не могут не образовываться. С этим, кстати, связана одна из основных трудностей расчета взаимодействия кварков - хорошо известные методы квантовой теории поля, такие как теория возмущений, предполагают разложение по степеням константы взаимодействия, если она меньше единицы, то ряд сходится. В сильном взаимодействии все эти ряды расходятся, и нужно придумывать какие-то иные способы расчетов.
Просто такая сильная любовь еще не описывается формулами!
Кварк просто не может быть одиноким. Гипотетически, одинокий кварк будет генерировать бесконечное количество глюонов (так как вероятность равна единице), и обладает колоссальной энергией. В этой энергии по формуле Эм-Це-квадрат самозародятся другие кварки и антикварки, и образуются уже обычные частицы. Так оно и было в начале Вселенной. В силу того, что общий цвет Вселенной нейтральный (это связано с фундаментальными свойствами пространства-времени), в начале Вселенной все кварки образовали бесцветные комбинации.
Если попытаться выдернуть кварк, например, из протона, с помощью какой-нибудь высокоэнергетической частицы, то за счет этой энергии образуется пара кварк-антикварк, и вылетит не кварк, а пи-мезон.
Кто может разрушить семью кварков?
Спрашивается, если семьи из кварков такие крепкие, почему же они не все стабильны? Кто разрушает семейное счастье?
Ответ: коварное слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Например, одиночный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино электронное, период полураспада около 10 минут.
Из всех кварковых семей стабильным является только протон!
Если рассматривать только сильное взаимодействие, то там тип кварка не будет меняться. Большинство адронов, особенно тяжелых, нестабильны по отношению к сильным распадам, и превращаются в более легкие частицы. Но все же такую нестабильность можно компенсировать наличием "родственников".
Адрон и вся его родня
Если мы рассмотрим систему нескольких адронов, например, ядро какого-нибудь атома, то там ситуация со стабильностью может быть еще лучше, чем в отдельно живущих адронах. Например, те же нейтроны внутри ядра вполне благополучно существуют за счет поддержки своих родственников - протонов. Протоны и нейтроны в ядре непрерывно обмениваются пи-мезонами, превращаясь друг в друга.
Думаю, что можно было бы построить подобную систему, содержащую странные кварки - какие-нибудь странные ядра, только там уже проблема со слабыми распадами.
Чему мы можем научиться у кварков?
Кварки, как я уже говорила, непрерывно излучают и поглощают глюоны. Никто не считает, сколько глюонов он получил, сколько излучил, но в этом процессе автоматически сохраняется баланс. Люди же, часто бывает, действуют по принципу "ты-мне, я тебе". Не хотят давать свою любовь просто так, а спрашивают "что мне за это будет". Не хотят принимать любовь, опасаясь последующих санкций. Константы взаимодействия не хватает...
Люди часто выстраивают семью иерархично, наподобие атома с его жесткой системой уровней, где каждый электрон знает свое место. В условиях нехватки любви, когда константа взаимодействия меньше единицы, такая система имеет право на существование. К сожалению, в ней нет асимптотической свободы. Кроме того, она стабильна, когда ядро действительно массивное и заряженное. Вокруг нейтрона какого-нибудь электроны не будут вращаться. И конечно, энергии, чтобы разрушить такую семью, требуется гораздо меньше, чем в случае сильного взаимодействия.
Последствием нехватки любви, к сожалению, является разрушение семьи и одиночество. Но если у элементарных частиц константа взаимодействия определена раз и навсегда, то мы с вами можем менять эту несчастную константу внутри своей семьи.
Давайте чаще говорить близким, как мы их любим, делать для них приятное! К нам придет от Вселенной любовь и асимптотическая свобода. Пусть наши семьи будут такими же крепкими, как протоны!
Спасибо за внимание! Уважаемые читатели, в нашем интернете будет больше любви и асимптотической свободы, если вы поставите мне лайк ❤ и подпишетесь на мой канал :))
О константе взаимодействия: статья на Habr-е
Статья на Элементы.ру о кварках