В предния пост направих сбита класификация на частиците на материята и опит за обяснение кое ги прави фермиони или бозони. Освен това дадох пример с взаимодействащи си електрони, които обменят фотони и по този начин се отблъскват. Фотоните се разглеждат като кванти на електромагнитното взаимодействие и към този пример ще се връщам многократно нататък. Този пост е (основно) за другата група частици – тези на взаимодействията. Които са бозони, т.е. имат цял спин.
В момента на науката са известни четири взаимодействия: електромагнитно, силно, слабо и гравитационно. Това са на практика начините, по които фермионите, изграждащи материята могат да взаимодействат помежду си. Започваме подред:
Електромагнитното взаимодействие се случва между всички частици, които имат ненулев електричен заряд. То е характерно за електрона, мюона и тауона (от лептоните), но не и за неутрината, защото те са електрически неутрални. Всички кварки имат дробен електричен заряд, но въпросът за електромагнитното им взаимодействие е по-тънък, тъй като кварки в свободно състояние не могат да съществуват (по-долу е обяснено защо). Ако частицата, изградена от кварки, е с различен от нула сумарен заряд, то тя ще участва в електромагнитни взаимодействия. Протонът например участва, докато неутронът – не.
В предния пост споменах, че фотонът е преносителят на електромагнитното взаимодействие. По този начин стои въпросът и с останалите взаимодействия: силното и слабото, а най-вероятно и гравитационното. Всяко от тях си има поле, на което отговаря преносител – т.нар. калибровъчен бозон (може да е един или да са няколко).
И така, следващото по (случаен) ред (на написване) е силното взаимодействие. Доказателство за съществуването му е наличието на стабилни квантовомеханични системи, съставени от частици с еднакъв заряд, които по принцип електромагнитното взаимодействие би трябвало да пръсне на парчета. Точно такива системи са атомните ядра – съставени само от протони (заряд +1) и неутрони (заряд 0). Ако го нямаше силното взаимодействие между тях, нямаше какво да противодейства на електромагнитната сила на отблъскване. Сега обаче има.
Какво всъщност се случва между протоните и неутроните в ядрата. Много e просто – точно както два (фундаментални) електрона обменят (фундаментален) калибровъчен бозон (фотонът), така и два (нефундаментални) протона обменят (нефундаментален) калибровъчен бозон – частица, наречена пион. Интересното тук е в скобите, а именно това, че и протоните/неутроните и пионите са композитни частици – те се състоят от кварки и/или антикварки. Как се случва това? Ето как:
Няколко уточнения по тази картинка: 1) Чертичките над u и d обозначават съответните антикварки. 2) Пионите се състоят от кварк и антикварк (защо няма частици от по 4 кварка, или 2 кварка и 1 антикварк ще го оставя за друг път или за коментарите). 3) Неутралният пион съм го пропуснал умишлено, защото той е сложна суперпозиция на комбинация от u + анти-u (заряд 0) и d + анти-d (също заряд 0). 4) Въпросът как се сумират спиновете също ще го оставя за някой друг път, защото там вече без (малко) математика не може да се мине.
И така, през 1934 година Хидеки Юкава предлага модел, по който се осъществява взаимодействието между протон и протон, протон и неутрон, неутрон и неутрон, т.е. между нуклоните в атомното ядро. Нека вземем за пример ядрото на хелия, което принципно се състои от два протона и два неутрона. Задържането на тези четири частици в една структура се осъществява с непрекъснат обмен на пиони между тях:
Един протон „излъчва“ виртуален положително зареден пион, който отнема заряда му и го превръща в неутрон. Същият този пион пък пренася положителния заряд до неутрона, предава му го и го превръща в протон.
Аналогично, неутрон „излъчва“ отрицателно зареден пион, превръщайки се в протон, който отрицателен пион се приема от протон, „превръщайки“ се в неутрон.
Взаимодействието между два протона или два неутрона пък се осъществява с обмен на неутрални пиони (без пренасяне на заряд).
На практика, ако направим „снимка“ на хелиево ядро в даден момент, ще „видим“ точно два протона и два неутрона, но във времето всеки от тях ще се превръща непрекъснато в друга частица – друг протон или друг неутрон, благодарение на тази обмяна на пиони. Това е силата, която „слепва“ нуклоните един за друг. Ядрената сила.
Обаче уточнението по-горе е наистина важно: и нуклоните и пионите са нефундаментални частици. Съответно и ядрената сила е нефундаментална. Истинското взаимодействие, отговорно за тези процеси е силното. На кварково ниво то представлява обмен на фундаментални калибровъчни бозони, наречени глюони. Те са безмасови (точно както фотона), със спин 1 (точно както фотона), без електричен заряд (точно както фотона), но са 8 на брой. Защо точно толкова – това е въпрос на специфичната симетрия на силното взаимодействие, който може да остане извън рамките на тези постове. (Обяснението на този факт на нормален човешки език вече ще е истинско предизвикателство, така че ще се пробвам само ако някой в коментарите наистина изпищи от нужда да знае това.)
Нека обобщя, че силното взаимодействие е причината кварките да са заключени в системи като нуклоните, пионите и много дурги подобни. Непрекъснатият обмен на глюони е това, което ги държи слепени в наблюдаеми (т.нар. безцветни) състояния. Ако погледнете под лупа, гореописаният процес на обмен на пиони между нуклоните всъщност се свежда до взаимодействие между кварки и глюони. Това е фундаменталното взаимодействие зад механизма на Юкава.
Силното взаимодействие е коренно различно от електромагнитното и в един друг много интересен аспект. Ако имате два електрона (или електрон и позитрон) на някакво разстояние, те ще се отблъскват (привличат) с определена сила. Ако раздалечите частиците на два пъти по-голямо разстояние, силата на отблъскване (привличане) между тях ще намалее 4 пъти. Колкото по-далече са заредените частици, толкова по-слаби са силите, които им действат. При силното взаимодействие имаме точно обратния ефект (известен като конфайнмънт): колкото повече раздалечавате кварките, толкова по-голяма става силата на привличане между тях. Представете си ги като закачени за пружина, която разтягате – ще започнете да изпитвате все по-големи трудности с удължаването на пружината. Колкото повече дърпате, толкова по-силно ще се привличат двата края. И има само някаква максимална дължина (на напълно разтегнатата пружина), до която физически можете да достигнете. Ето това е причината в природата да се срещат само свързани състояния на кварките, но не и свободни такива.
В следващите постове (че този стана непредвидено дълъг и слабото + гравитационното взаимодействия ще останат за следващия път) може да се върна на въпроса какво се случва, ако скъсате пружината между кварките.
