Когда мы слышим слово "сила", перед глазами может возникнуть образ Геракла, поднимающего тяжелый камень, гордость могучих воинов Спарты или даже магическое действие заклинания в мире Гарри Поттера, преобразующего предметы и пространство. В каждом из этих случаев сила проявляется в разных формах и обладает своим особым характером.
В квантовом мире силы проявляются тогда, когда частица с каким-либо зарядом излучает другую частицу, которая в свою очередь передает эту силу. Мы еще поговорим о квантовой электродинамике — теории, описывающей процесс излучения фотона частицей с электрическим зарядом, а также о квантовой хромодинамике, где частица с сильным зарядом излучает глюон ,но в других публикациях. Поэтому подписывайтесь на канал и ставьте лайк!
В этой статье мы подробнее остановимся на концепции сильного заряда, который оказывается гораздо более сложным, чем привычные нам положительные и отрицательные заряды электромагнетизма.
Как же люди разгадали все эти тайны субатомного мира? История началась в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили теорию, которая сейчас известна как теория кварков. На тот момент о кварках было известно гораздо меньше, чем сейчас, но ученые выдвинули существование трех типов кварков, которые были названы "верхний", "нижний" и "странный".
В мире субатомных частиц существуют свои порядки и свои правила. Рассмотрим фермионы - класс частиц, к которому относятся кварки. Фермионы обладают уникальным свойством, которое называется спином, и его значения могут быть только +1/2 или -1/2. Для примера, протоны и нейтроны, являющиеся барионами, построены из трех кварков: протон содержит два кварка "верхний" и один "нижний", а нейтрон - наоборот.
Важно отметить, что хотя барион всегда состоит из трех кварков, нет строгих правил, какие именно кварки могут входить в его состав. Так, возможны такие комбинации, как "верхний, верхний, верхний" или "верхний, верхний, нижний", и многие другие, включая комбинации со "странными" кварками.
Однако, в квантовой механике существует принцип Паули, названный в честь Вольфганга Паули, который гласит, что два идентичных фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип лежит в основе строения атома и объясняет, почему электроны располагаются вокруг ядра на разных уровнях. Если бы принцип Паули не существовал, наш мир выглядел бы совершенно иначе. А как же быть с кварками, когда у нас есть три одинаковых фермиона в барионе? Это вопрос, который ставил перед учеными новые задачи и вызовы.
Фермионы - это один из двух основных классов субатомных частиц, наряду с бозонами. Фермионы подчиняются статистике Ферми-Дирака и подчиняются принципу исключения Паули, который гласит, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние в одной и той же системе одновременно. К фермионам относятся кварки и лептоны (включая электроны и нейтрино).
Барионы - это класс субатомных частиц, которые состоят из трех кварков. Примеры барионов включают протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер. Барионы подчиняются сильному взаимодействию, которое удерживает кварки вместе внутри бариона, а также удерживает протоны и нейтроны в ядре атома.
Давайте представим, что в мире субатомных частиц существует своеобразный карнавал цветов. В нашем карнавальном шествии каждый кварк — это танцор в ярком костюме одного из трех возможных цветов: красного, синего или зеленого. Когда три танцора с разными цветами костюмов объединяются в один танец, они создают гармоничное сочетание, в котором цвета взаимно нейтрализуют друг друга, образуя белый цвет.
Допустим, у нас есть барион с тремя кварками одного и того же цвета, например, три красных кварка. С точки зрения принципа исключения Паули, наличие трех одинаковых кварков в одном месте кажется невозможным. Однако спин приходит на помощь. Первый красный кварк может иметь спин +1/2, а второй — спин -1/2. Различия в спине делают эти два фермиона отличающимися друг от друга, и они могут сосуществовать.
Но когда мы добавляем третий красный кварк, возникает проблема. Независимо от того, будет ли его спин +1/2 или -1/2, он будет дублировать спин одного из существующих кварков. Согласно принципу Паули, такая частица не может существовать. Но она существует.
В октябре 1964 года американский физик Оскар Гринберг предложил решение этой загадки. Он предположил, что каждый кварк обладает дополнительным свойством, которое мы теперь называем "цветом". Этот "цвет" — это не что иное, как сильный заряд силы.
Таким образом, у нас есть три разновидности цвета, и кварки могут принимать один из этих трех цветов. В то время как протоны и другие частицы будут "бесцветными". Это предположение позволяет нам допустить возможность того, что существует некий механизм, согласно которому сложение трех различных цветов приводит к "бесцветному" результату, или, если говорить языком физики, к нейтральному заряду.
Давайте представим, что в нашем распоряжении есть три числа: -1, 0 и +1. Когда мы складываем их вместе, результат равен нулю. По аналогии с этим, можно представить себе, что кварки, которые имеют своего рода «цветной» заряд, также могут взаимодействовать таким образом, чтобы их цвета компенсировали друг друга и в результате получалась бы «бесцветная» частица.
Обратимся к 1861 году, когда великий ученый Джеймс Клерк Максвелл вместе с фотографом Томасом Саттоном проводил эксперименты, связанные с цветом и светом. Их исследования выявили интересный факт: если на стену направить красный, синий и зеленый свет, они взаимодействуют между собой и создают белый свет.
Давайте воспользуемся этим примером для объяснения работы кварков. Мы можем вообразить кварки в виде трех базовых цветов: красного, синего и зеленого. Белый цвет в этом контексте будет олицетворять отсутствие цвета.
Таким образом, мы можем представить, что у нас есть три кварка "верхний" или три кварка "нижний", каждый из которых имеет свой уникальный цвет. Благодаря этому разнообразию, ни один кварк не будет полностью идентичен другому, и принцип исключения Паули не нарушится.
Доказать то, что цвет является реальной физической величиной, очень сложно. Это требует косвенных методов и анализа различных сценариев взаимодействия кварков. Однако именно благодаря этой идее ученые смогли объяснить многие особенности.
Не забудьте подписаться на наш канал, чтобы не пропустить новые интересные публикации! Также вы можете поставить лайк и поделиться этой статьей с друзьями. Благодарим вас за поддержку!