Hallo allerseits, heute haben wir der Druckerei ein Buch von
Frank Wilcek übergeben , das den Hintergrund der neuesten physikalischen Ideen über Masse, Energie und Natur des Vakuums untersucht. Der Autor, Nobelpreisträger für Physik, erläutert moderne Ansichten unseres unglaublichen Universums und sagt ein neues goldenes Zeitalter der grundlegenden physikalischen Wissenschaft voraus. Eine großartige Geschichte über die Einheit von Materie und Energie, über Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen - dies ist ein Meisterwerk seriöser populärwissenschaftlicher Literatur.
Hier veröffentlichen wir einen Auszug aus dem Buch "Fermi Dragons"
Von Anfang an war klar, dass andere, neue Kräfte die Atomwelt beherrschten. Die klassischen Kräfte der Kernphysik sind Schwerkraft und Elektromagnetismus. In den Kernen wirken jedoch Abstoßungskräfte: Der Kern hat eine gemeinsame positive Ladung und die gleichen Ladungen stoßen ab. Gravitationskräfte, die auf eine kleine Menge an Masse in einem einzelnen Kern wirken, sind zu schwach, um die elektrische Abstoßung zu überwinden. (Wir werden im zweiten Teil dieses Buches viel mehr über die Schwäche der Schwerkraft sprechen.) Eine neue Kraft wurde benötigt. Sie erhielt den Namen einer starken Interaktion. Damit die Kerne eng miteinander verbunden bleiben, sollte die starke Wechselwirkung stärker sein als alle zuvor bekannten.
Experimentatoren und die Raffinesse der Theoretiker brauchten Dutzende von Jahren, um die grundlegenden Gleichungen zu entdecken, die beschreiben, was in Atomkernen geschieht. Überraschenderweise gelang es den Menschen im Allgemeinen, sie zu finden.
Die offensichtliche Schwierigkeit besteht darin, dass die geringe Größe des Atomkerns die Beobachtung dieser Gleichungen in Aktion stört. Es ist ungefähr 100.000 Mal kleiner als das Atom selbst. Dies führt uns millionenfach über die Nanotechnologie hinaus. Kerne gehören zum Bereich der Mikronanotechnologie. Wenn wir versuchen, die Kerne mit makroskopischen Instrumenten wie Schuppen oder gewöhnlichen Pinzetten zu manipulieren, erzielen wir ein schlechteres Ergebnis als ein Riese, der versucht, mit zwei Eiffeltürmen ein Sandkorn zu heben. Dies ist eine schwierige Aufgabe. Um die nukleare Welt zu untersuchen, mussten völlig neue experimentelle Methoden entwickelt und ungewöhnliche Arten von Werkzeugen geschaffen werden. Im nächsten Kapitel werden wir ein ultra-stroboskopisches Nanomikroskop (bekannt als Stanford Two Mile Linear Accelerator (SLAC)) und eine kreative Zerstörungsstation (bekannt als Large Electron-Positron Collider (LEP; in BEPK)) besuchen. Wo wurden die Entdeckungen gemacht?
Eine weitere Schwierigkeit bestand darin, dass der Mikronanoskosmos, wie sich herausstellte, Gesetzen folgt, die sich von allem, was zuvor untersucht wurde, völlig unterscheiden. Bevor die Physiker der starken Interaktion Tribut zollen konnten, mussten sie die natürliche Denkweise eines Menschen aufgeben und durch seltsame neue Ideen ersetzen. Wir werden diese Ideen in den nächsten Kapiteln genauer untersuchen. Sie sind so seltsam, dass sie Ihnen nicht plausibel erscheinen, wenn ich sie nur als Fakten gebe *, sie sollten jedoch nicht so erscheinen. Einige der neuen Ideen unterscheiden sich grundlegend von allem, was zuvor bekannt war. Sie können widersprechen - und wahrscheinlich sogar widersprechen! - Was du in der Schule gelernt hast. (Es hängt davon ab, welche Schule Sie wann besucht haben.) In diesem kurzen Kapitel werde ich erklären, was uns zur Revolution veranlasst hat. Dieses Kapitel dient dazu, das traditionelle Konzept der Kernphysik, das immer noch in den meisten Physiklehrbüchern für Schüler und Studienanfänger vorgestellt wird, mit unserem neuen Verständnis zu verbinden.
Drachenkampf
James Chadwicks Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 war ein Meilenstein. Nach Chadwicks Entdeckung schien der Weg zum Verständnis einfach. Es schien, dass die Bausteine der Kerne entdeckt wurden. Es sind Protonen und Neutronen, zwei Arten von Partikeln, die ungefähr gleich schwer sind (ein Neutron ist 0,2% schwerer) und ähnlich starke Wechselwirkungen aufweisen. Die offensichtlichsten Unterschiede zwischen Protonen und Neutronen bestehen darin, dass das Proton eine positive elektrische Ladung hat und das Neutron elektrisch neutral ist. Außerdem ist ein isoliertes Neutron instabil. Die Dauer seiner Existenz beträgt etwa 15 Minuten. Danach verwandelt sich das Neutron in ein Proton (und gleichzeitig entstehen auch ein Elektron und ein Antineutrino). Durch einfaches Hinzufügen von Protonen und Neutronen können Sie Modelle des Kerns mit unterschiedlichen Ladungen und Massen erstellen, die in etwa den ähnlichen Parametern bekannter Kerne entsprechen.
Es schien, dass das Verständnis und die Verfeinerung dieser Modelle nur eine Frage der Messung der auf Protonen und Neutronen wirkenden Kräfte war. Diese Kräfte würden Kerne vom Zerfall abhalten. Die Gleichungen, die diese Kräfte beschreiben, würden zu einer Theorie starker Wechselwirkung. Wenn wir die Gleichungen dieser Theorie lösen, können wir sie testen und Vorhersagen treffen. Daher würden wir ein neues lakonisches Kapitel namens "Kernphysik" schreiben, dessen zentrale Idee "Kernkraft" wäre, beschrieben durch eine einfache und elegante Gleichung.
Ein solches Aktionsprogramm inspirierte Experimentatoren, Protonenkollisionen mit anderen Protonen (Neutronen oder anderen Kernen) zu untersuchen. Wir nennen solche Experimente, bei denen Partikel mit anderen kollidieren und untersuchen, was passiert ist, ein Streuexperiment. Die Idee ist, dass Sie durch Untersuchung der Ablenkung von Protonen und Neutronen oder, wie wir sagen, Streuung bestimmen können, welche Kräfte auf sie wirken.
Diese einfache Strategie ist kläglich gescheitert. Erstens war die Leistung sehr komplex. Es wurde festgestellt, dass es eine komplexe Abhängigkeit nicht nur vom Abstand zwischen den Partikeln, sondern auch von ihren Geschwindigkeiten und den Richtungen ihrer Spins hat. Es wurde bald klar, dass wir kein einfaches und schönes Gesetz für diese Kraft finden würden, das einen Platz verdient, zusammen mit Newtons Schwerkraftgesetz oder Coulombs Gesetz für Elektrizität.
Zweitens, was noch schlimmer war, war „Macht“ keine Macht. Wenn zwei energetische Protonen kollidieren, tritt nicht nur ihre Ablenkung auf. Oft werden dadurch mehr als zwei Teilchen gebildet, die nicht unbedingt Protonen sind. Tatsächlich wurden im Verlauf von Hochenergie-Streuexperimenten von Physikern viele neue Arten von Partikeln entdeckt. Neue Partikel, von denen Dutzende gefunden wurden, sind instabil, daher beobachten wir sie normalerweise nicht in der Natur. Bei einer eingehenden Untersuchung stellte sich jedoch heraus, dass ihre anderen Eigenschaften, insbesondere starke Wechselwirkungen und Größen, den ähnlichen Parametern von Protonen und Neutronen ähnlich sind.
Nach diesen Entdeckungen wurde es unnatürlich, Protonen und Neutronen allein zu betrachten oder zu glauben, dass das Hauptproblem darin besteht, die Kräfte zu bestimmen, die ihre Wechselwirkung bestimmen. Stattdessen ist die "Kernphysik" im traditionellen Sinne Teil eines größeren Themas geworden, einschließlich immer neuer Teilchen und offensichtlich komplexer Prozesse ihrer Entstehung und ihres Zerfalls. Um den neuen "Zoo" der Elementarteilchen zu beschreiben, wurde diese neue Art von Drachen, der Name "Hadron", erfunden.
Hydra
Die Erfahrung in der Chemie legte die Möglichkeit nahe, all diese Schwierigkeiten zu erklären. Vielleicht sind Protonen, Neutronen und andere Hadronen keine Elementarteilchen. Vielleicht bestehen sie aus einfacheren Objekten mit einfacheren Eigenschaften.
Wenn Sie dieselben Experimente an Atomen und Molekülen wie an Protonen und Neutronen durchführen und untersuchen, was nach ihren Kollisionen übrig bleibt, erhalten Sie auch komplexe Ergebnisse. Sie könnten Moleküle umordnen und zersetzen, um ihre neue Spezies (oder angeregte Atome, Ionen und Radikale) zu erhalten, mit anderen Worten, chemische Reaktionen durchführen. Das einfache Gesetz der Wechselwirkung gehorcht nur Elektronen und Kernen. Atome und Moleküle, die aus vielen Elektronen und Kernen bestehen, sind davon nicht betroffen. Könnte es ein ähnliches Muster für Protonen, Neutronen und ihre kürzlich entdeckten Verwandten geben? Könnte ihre offensichtliche Komplexität durch die Tatsache erklärt werden, dass sie aus kleineren Bausteinen bestehen, die viel einfacheren Gesetzen gehorchen?
Etwas in Stücke zu zerbrechen kann eine grobe Methode sein, aber diese Methode kann auch die zuverlässigste sein, um herauszufinden, woraus es besteht. Wenn zwei Atome stark genug kollidieren, zerfallen sie in ihre Elektronen und Kerne. So werden die Bausteine entdeckt, aus denen sie bestehen.
Die Suche nach einfacheren Bausteinen in Protonen und Neutronen hat jedoch zu ungewöhnlichen Schwierigkeiten geführt. Wenn Sie wirklich stark mit Protonen kollidieren, erhalten Sie noch mehr Protonen, manchmal begleitet von ihren Hadronenverwandten. Ein typisches Ergebnis der Kollision zweier Protonen bei hoher Energie ist das Auftreten von drei Protonen, einem Antineutron und mehreren Pi-Mesonen. Die Gesamtmasse der resultierenden Partikel übersteigt die Masse des Originals. Wir haben diese Gelegenheit früher besprochen, und jetzt hat sie uns wieder überholt. Anstatt kleinere und leichtere Bausteine zu öffnen, sich zu immer höheren Energien zu bewegen und immer stärkere Kollisionen zu erzeugen, finden Sie einfach noch mehr davon. Vereinfachungstrends werden nicht beobachtet. Es ist das gleiche, als hätten Sie zwei Äpfel derselben Sorte zusammengeschoben und drei Äpfel derselben Sorte erhalten, einen Apfel einer anderen Sorte, Melone, ein Dutzend Kirschen und ein paar Zucchini.
Der Fermi-Drache ist aus einem Mythos zu einer Albtraum-Hydra geworden. Schneiden Sie den Kopf der Hydra ab und ein paar neue erscheinen an ihrer Stelle.
Es gibt einfachere Bausteine. Ihre grundlegende "Einfachheit" impliziert jedoch ein seltsames und paradoxes Verhalten, das sie sowohl für die Theorie revolutionär als auch für Experimente schwer fassbar macht. Um sie zu verstehen oder sogar wahrzunehmen, müssen wir von vorne beginnen.
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Vilcek