क्या मजबूत बल इतना खास बनाता है?

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एक प्रोटॉन (अग्रभूमि) तीन क्वार्क से मिलकर बना होता है, प्रत्येक का रंग अद्वितीय संपत्ति के साथ होता है। वे मजबूत परमाणु बल द्वारा चुस्त हैं।

(छवि: © लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला)

पॉल एम। सटर पर एक खगोल भौतिकीविद् है ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी, का मेजबान एक अंतरिक्ष यात्री से पूछें तथा अंतरिक्ष रेडियोऔर के लेखक हैं ब्रह्मांड में आपका स्थान। सटर ने इस लेख में योगदान दिया स्पेस.कॉम के एक्सपर्ट वॉयस: ओप-एड एंड इनसाइट्स.

प्रकृति की सभी चार ज्ञात शक्तियों का अपना विशिष्ट स्थान है। गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुंबकत्व, कमजोर परमाणु, मजबूत परमाणु: प्रत्येक हमारे जीवन के कुछ छोटे डोमेन को नियंत्रित करता है। जबकि हमारे रोजमर्रा के अनुभव पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण और प्रकाश और फ्रिज मैग्नेट के विद्युत चुम्बकत्व के प्रभुत्व हैं, जुड़वां परमाणु बल भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, - बस बहुत, बहुत छोटे पैमाने पर।

कितना छोटा है? सौर मंडल का आकार बनने के लिए अपने आप को गुब्बारा करने की कल्पना करें। आपके हाथ तैरते हैं ऊर्ट बादल खुद, आपके पेट के बटन के ऊपर से ग्रहों का जाल। आप इतने बड़े हैं कि विद्युत संकेतों को आपकी तंत्रिका तंत्र के माध्यम से अपनी यात्रा करने में हफ्तों या महीनों का समय लगता है, जिससे सरलतम इशारे भी धीरे-धीरे कम होते हैं।

यह आपके वर्तमान आकार (लगभग दो मीटर) और 10 ^ 15 मीटर के बीच का अंतर है।

अब, इसे उल्टा चलाएं। इतने छोटे पैमाने की कल्पना करें कि आपका वर्तमान शरीर सौर मंडल जितना विशाल महसूस करता है। एक ऐसा पैमाना, जहां आपके मूवमेंट सबसे धीमी गति से पेस पर होते हैं। यह अविश्वसनीय रूप से छोटे पैमाने पर मादा है: 10 ^ -15 मीटर। यह परमाणु नाभिक का पैमाना है।

प्रोटॉन में

यहाँ ऊपर से, यह प्रोटॉन को एक कण के रूप में सोचने के लिए लुभा रहा है। सकारात्मक चार्ज और द्रव्यमान का एक कठिन खोल, एक बिलियर्ड गेंद के रूप में आसानी से उछाल और दस्तक करने में सक्षम। लेकिन वास्तव में, एक प्रोटॉन तीन छोटे कणों से बना होता है। इन कणों में क्वार्क का सबसे सुखद नाम है। प्रकृति में कुल छह प्रकार के क्वार्क हैं, लेकिन प्रोटॉन की हमारी करीबी परीक्षा के लिए हमें केवल उनमें से दो की देखभाल करने की आवश्यकता है, जिसका नाम अप एंड डाउन क्वार्क है।

जैसा मैंने कहा, एक प्रोटॉन क्वार्क का एक समूह है: दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क। ये क्वार्क एक टीम के रूप में एक साथ बंधते हैं, और वह बाध्य टीम है जिसे हम प्रोटॉन कहते हैं।

सिवाय इसके कि कोई मतलब नहीं होना चाहिए।

दो अप क्वार्क में समान विद्युत आवेश होता है (क्योंकि वे एक ही तरह के कण होते हैं), इसलिए उन्हें एक दूसरे से बिल्कुल नफरत करनी चाहिए। कैसे वे इतनी कसकर चिपके रहते हैं?

और क्या अधिक है, हम क्वांटम यांत्रिकी से जानते हैं कि दो क्वार्क सटीक एक ही स्थिति को साझा नहीं कर सकते हैं - आपके पास एक ही तरह के दो समान नहीं हो सकते हैं। उन दो अप क्वार्कों को उस तरह एक साथ सह-अस्तित्व की अनुमति नहीं दी जानी चाहिए। और फिर भी वे न केवल एक-दूसरे को सहन करते हैं, लेकिन लगता है कि वास्तव में कंपनी का आनंद लें!

क्या चल रहा है?

एक अलग रंग

1950 और 60 के दशक में, भौतिकविदों ने महसूस करना शुरू कर दिया कि प्रोटॉन मौलिक नहीं है - इसे छोटे भागों में तोड़ा जा सकता है। इसलिए उन्होंने प्रयोगों का एक समूह बनाया और उस विशेष अखरोट को तोड़ने के लिए सिद्धांतों का एक गुच्छा विकसित किया। और वे तुरंत एक) क्वार्क्स और बी के अस्तित्व भाग गए) ऊपर puzzling conundrums।

कुछ उन तीन क्वार्कों को एक साथ पकड़े हुए था। कुछ वास्तव में, वास्तव में मजबूत। प्रकृति का एक नया बल।

मजबूत बल।

तत्कालीन परिकल्पित सशक्त बल ने सरल पाशविक बल द्वारा सह-क्वार्किंग क्वार्क की समस्याओं को हल किया। ओह, आप एक साथ रहना पसंद नहीं करते क्योंकि आप एक ही राज्य को साझा नहीं कर सकते? ठीक है, बहुत बुरा, मजबूत बल आपको वैसे भी बनाने जा रहा है, और यह उस समस्या के चारों ओर एक रास्ता प्रदान करने वाला है।

और हर बल का एक कनेक्शन बिंदु होता है। एक हुक। यह बताने का एक तरीका है कि आप इससे कितना प्रभावित हैं। विद्युत चुम्बकीय बल के लिए यह विद्युत आवेश है। गुरुत्वाकर्षण के लिए यह द्रव्यमान है। मजबूत परमाणु बल के लिए, भौतिकविदों को एक नए हुक के साथ आना पड़ा। एक क्वार्क के लिए उस बल के माध्यम से दूसरे क्वार्क से जुड़ने का एक तरीका। और भौतिकविदों ने रंग शब्द चुना।

इस प्रकार यदि आप या आपके द्वारा ज्ञात एक कण में रंग नामक यह नई संपत्ति है, तो आपको मजबूत परमाणु बल महसूस होता है। आपका रंग लाल, हरे या नीले रंग में से एक हो सकता है (भ्रामक रूप से एंटी-रेड, एंटी-ग्रीन और एंटी-ब्लू भी है, क्योंकि निश्चित रूप से जीवन इतना सरल नहीं है)। एक प्रोटॉन की तरह एक कण बनाने के लिए, क्वार्क के सभी रंगों को सफेद तक जोड़ना पड़ता है। इस प्रकार एक क्वार्क को लाल होने के लिए असाइन किया जाता है, दूसरे को हरा होने के लिए सौंपा जाता है, और अंतिम को नीला होने के लिए सौंपा जाता है। रंग का विशेष असाइनमेंट वास्तव में मायने नहीं रखता (और, वास्तव में, व्यक्तिगत क्वार्क लगातार रंग बदलता है), क्या मायने रखता है कि वे सभी सफेद तक जोड़ते हैं और मजबूत बल अपना काम कर सकते हैं।

रंग की यह नई संपत्ति वह है जो क्वार्क को एक प्रोटॉन के अंदर एक राज्य को साझा करने की अनुमति देता है। रंग के साथ, कोई भी दो क्वार्क बिल्कुल समान नहीं हैं - उनके पास अब अलग-अलग रंग हैं।

महा शक्ति

दो छोटे सरौता लेने की कल्पना करो और प्रोटॉन में दो क्वार्क को पकड़ो। आप बाहर काम करते हैं, इसलिए आप उन्हें एक साथ रखने वाले मजबूत परमाणु बल की ताकत को पार करने में सक्षम हैं।

लेकिन मजबूत ताकत के बारे में यहाँ कुछ अजीब है: यह दूरी के साथ कम नहीं होता है। अन्य बल, जैसे गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुंबकत्व, करते हैं। लेकिन मजबूत बल हमेशा की तरह मजबूत रहता है, चाहे वह कितनी भी अलग क्यों न हो।

इसलिए जब आप उन क्वार्कों पर टग जाते हैं, तो आपको अलगाव को बनाए रखने के लिए अधिक से अधिक ऊर्जा जोड़ते रहना होगा। आप अंततः इतनी ऊर्जा जोड़ते हैं कि, ऊर्जा द्रव्यमान के बराबर होती है और वह सब, नए कण क्वार्कों के बीच शून्य में प्रकट होते हैं। नए कण जैसे ... अन्य क्वार्क।

ये नए क्वार्क्स लगभग तुरंत अपने नए बिछड़े हुए दोस्तों को ढूंढते हैं और एक साथ बांधते हैं, जिससे आपकी सारी मेहनत खत्म हो जाती है और ऊर्जा के एक फ्लैश में पसीने छूट जाते हैं। जब तक आपको लगता है कि आपने क्वार्क को अलग कर दिया है, तब तक वे पहले ही नए लोगों को बांधने के लिए मिल चुके होते हैं। इस प्रभाव को क्वार्क कारावास के रूप में जाना जाता है: मजबूत बल वास्तव में इतना मजबूत होता है कि यह हमें अलगाव में क्वार्क को देखने से रोकता है।

यह शर्म की बात है कि हमें कभी यह देखने को नहीं मिलेगा कि इसका रंग क्या है।

एपिसोड को सुनकर और जानें "क्या मजबूत बल इतना मजबूत बनाता है?" एक अंतरिक्ष यात्री पॉडकास्ट पर, आईट्यून्स पर और वेब पर http://www.askaspaceman.com पर उपलब्ध है। इस टुकड़े के लिए नेतृत्व करने वाले सवालों के लिए कायजा एन और टेर बी का धन्यवाद! ट्विटर पर #AskASpaceman का उपयोग करके या पॉल @PaulMattSutter और facebook.com/PaulMattSutter का उपयोग करके अपना प्रश्न पूछें।