核互动弱:使生活成为现实的神秘基力©Getty Images

核互动弱:使生活成为可能的神秘基力

如果没有弱的核相互作用,星星不能将氢气变成了生命所必需的大量元素。

所有元素的存在比氢的所有元素都是奇迹,它们的形成只能在星星中心。我们的星球上的氧气,碳和硅的丰富是由于物理学的四个基本相互作用的最小众所周知,核互动弱。 Chad Orzel解释了他书中的这种提取物中的这种不寻常的过程, 与爱因斯坦早餐.

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这件作品中有一些令人满意的科学,所以这里有五件事在你开始之前需要了解。

您需要了解粒子物理的五件事:

  1. 粒子物理学的标准模型描述了四种基本力量(重力,电磁,强核力​​量和弱核相互作用)和基本粒子(夸克,百氏和玻色子)。
  2. 原子具有由电子和中子构成的核,被电子包围。质子和中子由不同的夸克群组成。电子是一种lepton的类型。
  3. 质子和中子中的夸克是“上的”或“向下”夸克。在Beta衰减中,向下夸克变为UP夸克,将中子变成质子。
  4. 粒子物理充满了“保护法”:当任何颗粒相互作用时,在总能量和势头一样的数量必须在之前和之后相同。
  5. 星星释放能量通过将原子核融化为逐渐重和更重的元素。 


弱核互动占据了标准模型中不寻常的立场,可以说是最不明显的基本互动,同时也是最好的理解之一。

通过20世纪60年代和20世纪70年代初开发了弱互动的数学理论及其与电磁学密切关系,以及该理论的预测的实验证实,最终在2012年发现“Higgs Boson”,是最伟大的胜利之一标准模型。

与此同时,强大的核互动继续为理论主义者计算物质的特性而造成问题,而重力与其他三个是着名的数学上的。

然而,同时,这很难指出弱核互动 。是什么让弱的互动尤其棘手向非物理学家解释的是,与其他相互作用不同,它与通常的意义上的有形力量不明显。

重力的拉动是我们日常经验的核心元素,电荷和磁铁之间的电磁力是您可以感受到的。虽然强大的互动以极其偏远的缩放运作,但它仍然容易理解,作为将核的力抵抗电磁排斥。

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另一方面,弱互动不用于将任何东西粘在一起,或者将任何东西推动。这就是为什么大多数物理学家摧毁了令人愉快的头联术语“基本力量”,支持“基本互动”。

弱核相互作用而不是推动或拉动颗粒,而不是推动或拉动粒子的重要功能是引起粒子变换:更具体地说,它将夸克家族从Lepton系列转变为颗粒。

这使得通过吸收电子和第三颗粒通过吸收电子通过吸收电子和第三颗粒来转换成向上夸克(具有负电荷)转换成向上夸克(具有正电荷)。并发出antiNeutrino。这些变换使中子能够变成质子,反之亦然。

在阳光下发生的过程涉及后者,并且是“β衰变”的更了已知的现象的倒数,其中原子核中的中子吐出电子并变成质子。

β衰减已知以自早期的研究进入放射性以来,但解释了在量子理论的早期令人烦恼的挑战,导致20世纪物理学的更丰富多彩的轶事之一。

β腐烂的问题是通过腐烂的核来吐出来溅出,并且各种能量(最大值最大值)。

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这对于只有两个粒子的反应不应该有可能 - 节能保守定律,动量的守恒应仅为离去电子的单一可能的能量决定(就像“alpha衰变的过程一样”,吐出氦核的重核衰减:两个质子和两个中子粘在一起)。

解释β腐烂的能量范围长时间,并导致一些提出众所周知的措施,类似于放弃能源保护的理念,作为物理学的基本原则。

该解决方案由年轻的奥地利物理学家沃尔夫冈保利地区发现,1930年建议(在发送给会议的信中,他跳过苏黎世的球),β腐烂并没有涉及两个颗粒,但三个中子 - 转向质子,电子和第三个未检测到的颗粒,具有非常微小的质量。

新的粒子,迅速被称为“中微子”(松散地“在意大利中的”中的一点中性“,通过精确的量,根据电子和中微子的确切动力,当它们离开细胞核时。

介绍中微子最初似乎不太绝望,而不是挖掘能源 - 保罗自己写给朋友,“我做了一些可怕的事情。我已经假设了无法检测到的粒子。这是理论家永远不应该这样的东西。“

然而,在几年之内,伟大的意大利物理学家Enrico Fermi开发了Pauli粗略的建议,进入了一个完整且非常成功的Beta腐烂的数学理论,并且很快就通过了这个想法。

Pauli的原始Nearlino成为三个(原来的电子中微子,加上“μON”和“Tau”品种)之一,尽管他的初始哀叹,但实际上,中微子可以被检测到,并通过Clyde Cowan进行实验证实和弗雷德里克河畔1956年。

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这一切都与太阳有什么关系?答案很微妙。太阳通过融合氢核来供电,氢核是单个质子,进入由两个质子和两个中子粘在一起的氦核。

在这个过程中的某个地方,由于核反应弱和上述“逆β衰变”的弱化过程,两个质子需要转变为中子,其中质子在该过程中发出中微子发射中性物质。

结果,太阳产生了令人难以置信的中微子,在地球上被检测到,这些太阳微子的测量提供了关于太阳核心的核反应的信息,以及关于中微子本身的性质。

将质子转化为内部恒星中的中子是必不可少的,对于我们每天互动的巨大元素的存在是必不可少的 - 我们呼吸和水的氧气我们喝水,我们吃的食物中的碳,硅我们下面的地面。

当一个非常重的星星通过其核心的大部分氢气燃烧时,它开始熔化氦气较重的元素;当氦气耗电时,这些极其重的星星开始燃烧碳,并通过周期性表。然而,在该过程的每个步骤中,融合释放的强相互作用能量降低,直到硅熔融成铁。

铁的融合不会释放任何能量,切断热量的热量,这些热量正在提升恒星的核心。此时,星形的外层向内撞击,并反弹核心以产生超新星爆炸,释放出足够的能量,即爆炸之星经常暂时超越其家用星系的其余部分。

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在超新星中,大部分恒星在膨胀云的膨胀云中向外喷射,融合在融合的后期核心中产生的较重元素。这些气体云扩展和冷却并与附近的其他气体相互作用,形成下一代恒星的原料 - 以及岩石,地球状行星,这主要由在核心中产生的重量构成垂死的明星。

我们在地球和矿物质,透气的空气,植物和动物身上看到的巨大物质 - 都是由死者骨灰构成的,通过所有四个基本的互动创造。

在大爆炸后不久形成的简单氢气开始,重力将气体拉动在一起,电磁抵抗坍塌并加热气体,强大的核互动释放了核聚变中大量能量。

最后,弱核相互作用使得将氢气变成更重和更有趣的元素的颗粒转化能够。

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采取这些基本互动中的任何一个,我们的日常生产是不可能的。

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