du vet ikke hva ting er, du som holder den i hendene dine. Atomer? Ja, ting er laget av atomer. Hvert atom er en kjerne som går i bane rundt elektroner. Hver kjerne er bygget av protoner. Hver proton er – men der kommer du til slutten av linjen. Inne i protonen ligger den dype, foruroligende sannheten: Ting er laget av ingenting, eller nesten ingenting, holdt sammen av lim, mye lim. Fysikere begynte først å mistenke dette i 1973. I det siste har det blitt bevist av eksperiment.

Cern Photo

Frank Wilczek Var en 21 år gammel student ved Princeton University da han hjalp til med å utvikle denne teorien om protonet i 1973. Han forsto det egentlig ikke selv først; han fulgte bare hvor matematikken førte ham. «Vi gjorde beregningene, men vi hadde ikke en enkel intuitiv forståelse,» Sier Wilczek. «Det fysiske bildet kom senere.»Det bildet tok en stund selv for fysikere å absorbere, fordi det egentlig ikke er enkelt. Selv i dag, hvis du spør en fysiker om å beskrive en proton, får du først en tegneserieversjon—den som sier at en proton er laget av tre mindre partikler kalt kvarker. Den beskrivelsen er ikke akkurat falsk-det er bare lav oppløsning. Det er sant slik et bilde Av Times Square fra 30.000 meter unna er sant. Nærbilde virkeligheten, Den Ene Wilczek og hans kolleger fikk et glimt av for lenge siden, er langt mer madding og merkelig.en proton er laget av tre kvarker, ja, men kvarkene er uendelige-bare 2 prosent eller så av protonens totale masse. De rattler rundt i nær lyshastighet inne i protonen, men de er fengslet i flimrende skyer av andre partikler—andre kvarker, som materialiserer kort og deretter forsvinner og fremfor alt gluoner, som overfører kraften som binder kvarkene sammen. Gluoner er masseløse og evanescent, men de bærer det meste av protonens energi. Det er derfor det er mer nøyaktig å si at protoner er laget av gluoner i stedet for kvarker. Protoner er små klumper av lim-men selv det bildet formidler noe for statisk og betydelig. Alt er flux og knitrende energi inne i en proton; det er som en uendelig lynstorm i en flaske, en flaske mindre enn .1 trillionth av en tomme i diameter. «Det er en veldig rik, dynamisk struktur,» sier Wilczek. «Og det er veldig behagelig at vi har en teori som kan reprodusere den.»Spesielt Hvis du tilfeldigvis er en av gutta som oppfant teorien, og hvis mer enn to tiår senere, blir den teorien faktisk verifisert av eksperiment. Ved en partikkelakselerator kalt HERA I Hamburg, Tyskland, har fysikere skutt elektroner inn i protoner de siste åtte årene, og viser hvor ubetydelig kvarkene er inne. I mellomtiden kan andre akseleratoreksperimenter snart avsløre hvordan universet samlet alle sine protoner i utgangspunktet. I februar annonserte fysikere VED Cern, Det Europeiske Laboratoriet for Partikkelfysikk utenfor Geneve, «overbevisende bevis» at de hadde lykkes i å smelte et stort antall protoner, og skapte for et øyeblikk den typen kvark-gluonplasma som sist eksisterte et mikrosekund etter Big Bang. Alle protonene rundt nå stivnet fra at suppe. På Brookhaven National Laboratory På Long Island i New York blir en ny og kraftigere akselerator satt til å lage quark-gluon suppe på daglig basis i sommer. Ved neste år kan fysikere ha en mye bedre ide om hvordan universet var når det var en milliard ganger varmere enn solens overflate, og kvarker og gluoner—ennå ikke fanget inne i protoner, inne i kjerner, inne i atomer, inne i oss-kunne spille fritt i kvantefeltene.Kvantekromodynamikk, ELLER QCD, teorien Som Wilczek og hans kolleger oppfant, er en type kvantefeltteori, og kvantefeltteori for nybegynnere går noe slikt. Først E = mc2, Som Einstein oppdaget. Det vil si at energi kan omdannes til masse og omvendt. For det andre er det tomme rommet ikke tomt: det vi kaller et vakuum, syder faktisk med alle slags energifelt, og energien manifesterer seg hele tiden som «virtuelle» partikler som dukker opp i eksistens og forsvinner igjen på noe mindre enn en trilliondel av et nanosekund. «Det ville ikke være veldig nyttig for oss å se denne strukturen av vakuumet,» sier Wilczek, som nå er professor Ved Institute For Advanced Study Ved Princeton, hvor han bor I Einsteins gamle hus. «Det ville ikke hjelpe oss å unngå sabertandige tigre eller oppdra våre barn, så evolusjonen har lært oss å ignorere det. Men det er der.»

Tredje (og sist i vår feltteori-primer), når to subatomære partikler utøver en kraft på hverandre, samhandler de via et av disse energifeltene, som de selv bidrar til å skape. Spesielt utveksler de en av de virtuelle partiklene – kvantefeltet i kvantefeltet. Et elektron har for eksempel en elektrisk ladning på -1, og den ladningen genererer et elektrisk felt. Hvis elektronen beveger seg, som det alltid er—spinner på sin akse og kretser atomkjernen—genererer det også et magnetfelt; alle magnetfelt blir til slutt opprettet ved å flytte elektriske ladninger. Når to ladede partikler samhandler-når en elektron er spredt av en proton i HERA-utveksler de en virtuell foton, kvante av det elektromagnetiske feltet. Teorien som beskriver slike interaksjoner, oppfunnet av Richard Feynman, blant andre, kalles kvantelektrodynamikk, ELLER QED.I QED er hvert enkelt elektron omgitt av en sky av kortvarige virtuelle partikler-fotoner, men også andre elektroner parret med positroner, deres positivt ladede antimatter tvillinger. De swarming partikkel parene danner en skjerm som delvis avbryter elektronfeltet-i det minste sett fra utsiden av skjermen. Fra innsiden av skjermen, derimot, virker feltet sterkere enn du kanskje forventer, som en bare lyspære når en lampeskjerm er fjernet. «OK, så det er screening, og det er ganske lett å forstå,» sier Wilczek. «Det som skjer I QCD, inne i protonen, er akkurat det motsatte: det er antiscreening. Det var en overraskelse selv for oss, så det kan ikke være for enkelt. Men vi har kommet til å forstå det på mer elementære vilkår gjennom årene.»Tidlig på 1970-tallet, Da Wilczek gjorde sitt pionerarbeid, var en heftig tid for partikkelfysikere. Deres luft er noe annerledes enn hva resten av oss puster, OG QCD var i den. Noen år tidligere hadde forskere ved Stanford Linear Accelerator Center for første gang akselerert elektroner til energier som var høye nok til å trenge inn i protoner. Elektronene syntes ikke å stikke inn i mush; de syntes å sprette av punktlignende nuggets i protonene. Kvarker, som hadde blitt postulert i 1964 som rent matematiske enheter, begynte å virke som om de virkelig kunne eksistere inne i protoner—og spørsmålet om hvordan hele greia ble holdt sammen ble presserende og spennende. Mens Wilczek og hans rådgiver, David Gross, oppdaget svaret Ved Princeton, oppdaget En annen kandidatstudent Ved Navn David Politzer det selvstendig ved Harvard. Gross var den gamle mannen av trioen på 31. «Vi var heldige å ha vært unge da, «skrev han senere,» da vi kunne spasere langs de nyåpnede strendene og plukke opp de mange vakre skjellene som eksperimentet hadde avslørt.»

Ett skall var fremmed enn resten. Stanford-eksperimentene hadde syntes å vise at kraften mellom kvarker-kjent som den sterke kraften – faktisk ble svakere da kvarkene kom nærmere sammen. Det var veldig rart. Kreftene vi møter på daglig basis, elektromagnetisme og tyngdekraften, virker på motsatt måte: de er sterkere på korte avstander fra kilden og svakere på lange. Det er den intuitive måten; det er hvordan ting skal være. Ellers ville magneter for eksempel fly av kjøleskapet ditt for å kle seg til den fjerne forlokkende komfyren-bortsett fra at kjøleskapet fra en avstand ville begynne å se bra ut til dem igjen. Og likevel, svak da den sterke kraften var på svært korte avstander, var den sterk nok til lengre å frustrere fysikere som hadde prøvd hardt og ikke klarte å trekke en kvark ut av en proton. Ingen hadde klart å observere en i isolasjon.Wilczek og Gross lette etter en kvantefeltteori som kunne forklare en slik kraft. Faktisk Brutto forventet at de skulle mislykkes; han ønsket å bevise at feltteori var en blindgyde. Men en slags matematisk formalisme, kalt ikke-Abelsk gauge teori, hadde ennå ikke blitt prøvd. Wilczek brukte et halvt år på å fylle en notatbok med beregninger av hvordan partikler ville samhandle gjennom et ikke-Abelsk kvantefelt. På slutten hadde han en kraft som ble sterkere på nært hold, som en god kraft burde, Som Brutto forventet – men i motsetning til det som ble målt Ved Stanford. Wilczek sjekket de lange beregningene igjen og igjen. Deretter Oppdaget Gross et enkelt plustegn i feltligningen som burde vært minus. Det skiltet endret alt: QCD ble født.Inne i et proton, IFØLGE QCD, er kvarkene «asymptotisk frie», som Stanford-resultatene foreslo, noe som betyr at de beveger seg nesten som om det ikke var noen kraft mellom dem i det hele tatt. Men friheten er en illusjon: en kvark kan aldri unnslippe sine partnere. Etter hvert som avstanden mellom dem øker, så gjør kraften, og så er en farlig kvark uunngåelig reined inn, som en bungee jumper. Det er derfor ingen noensinne har eller noen gang vil se en ensom kvark, som, når du tenker på det, er dypt rart. «Protonen har deler, men det kan ikke tas fra hverandre,» sier alvaro De Rú, en teoretisk fysiker VED CERN. «Du kan holde et elektron i hånden din. Du kan ikke holde en kvark eller en gluon i hånden din.»

det rare kommer fra gluonene. Kvantekromodynamikk, kraften som holder protoner sammen, er modellert tett på kvantelektrodynamikk, kraften som holder atomer sammen – men gluonene endrer screening til antiscreening, intuitiv til bisarre. I kvantekromodynamikk bærer kvarker en ny type ladning, kalt farge-som ikke har noe å gjøre med vanlig farge—og disse kostnadene genererer et fargefelt (derav navnet kromodynamikk). Kvantum av feltet, og senderen av den sterke kraften, er gluon. Som fotonet som overfører den elektromagnetiske kraften, er en gluon masseløs. Men i motsetning til fotonet blir en gluon ladet. Den genererer sitt eget fargefelt, utøver sin egen sterke kraft og inerakter med andre gluoner. Det fører et rikt liv.

fargefeltet, som den elektromagnetiske, kan betraktes som å ha to komponenter-kaller dem farge elektrisk og farge magnetisk. En rask fargeladning-gluoner beveger seg med lyshastighet-genererer et sterkt fargemagnetfelt. Gluoner er således som små dipolmagneter. Gluonene som omgir en kvark justerer seg parallelt med fargefeltet, som magneter ville, og så i stedet for å svekke det, som virtuelle partikler gjør et elektronfelt, styrker de det. De antiscreen kvarken, forsterker sitt felt. Her fungerer lampens analogi ikke lenger-kvarken er en svak pære som på en eller annen måte blir lysere utenfor skyggen.

Det er det som holder en proton sammen, og det er det som gir den en bisarre indre struktur. Hvis en kvark klarer å komme inn i andres gluonsky, føles det bare en svak attraksjon. Men jo lenger unna det går, jo mer føles det ekstra trekk av gluoner-gluoner utgitt av kvarker, gluoner utgitt av andre gluoner, gluoner som materialiserer seg i virtuelle kvark-antikvarkpar, som utveksler flere gluoner. «Kvarkene utløser hele greia, men når det starter, er det en veldig kraftig prosess, fordi gluonene samhandler,» sier Wilczek. «Det er en slags runaway prosess.»

I 1974 foreslo De Rú, Politzer, Wilczek og noen få andre fysikere denne gluoniseringen av protonet og foreslo hvordan det en dag kunne måles. To tiår senere begynte forskere ved HERA å gjøre nettopp det. HERA er en ringformet akselerator, nesten fire miles rundt, hvor elektroner som gjør 47.000 runder et sekund, knuses inn i protoner som går den andre veien. Jo større energien i kollisjonen, jo dypere kan et elektron bore inn i et proton før det avbøyes. Ved å måle hvordan elektronen avbøyes i millioner av kollisjoner, kan fysikere samle informasjon om de interne komponentene som gjør avbøyningen. Det er som å ta et bilde av innsiden av et proton, Sier Wilczek, piksel for piksel – og resultatene passer til forslaget han og hans kolleger laget for flere tiår siden.»det er bare på det groveste nivået at et proton er laget av tre kvarker,» Sier Wilczek. «Når du ser nærmere og kommer inn i disse skyene og begynner å se den grunnleggende strukturen, ser du at det for det meste er lim.»

Som gjør enda mer interessant spørsmålet om hvordan universet noen gang klarte å designe en slik ting.å besøke et partikkelfysikklaboratorium er å bli slått av en kontrast i skala—mellom de små gjenstandene som studeres og de enorme ressursene—mennesker, maskiner, datakraft, elektrisk kraft, rom, penger—som blir viet til det. (Hvis den infrastrukturen virker som en høy pris å betale for informasjon om universets opprinnelse, bør Du vurdere At Nettet—designet for å hjelpe forskere med å kommunisere enorme datafiler—er ET CERN-hjernebarn.) CERN bruker nesten like mye strøm som Byen Geneve, sin nabo. CERNS største akselerator, Den Store Elektron-Positron collider, opptar en sirkulær tunnel 17 miles rundt. I de kommende årene vil den bli demontert og erstattet av En enda kraftigere akselerator, Large Hadron Collider, som vil gjenskape energien som eksisterte en trilliondel av et sekund etter Big Bang. (Hadroner er kjernepartikler, som protoner, som er laget av kvarker og gluoner.) For å lage en kvark-gluon plasma, trenger du ikke å gå så langt tilbake i tid – den første mikrosekund vil gjøre-så du trenger en mindre kraftig akselerator.Likevel Er Super Proton Synkrotron PÅ CERN mer enn fire miles rundt. Den ligger i en tunnel som ligger 300 meter under jorden, og i den tunnelen, inne i et aluminiumrør bare noen få inches bredt, blir blykjerner akselerert av magneter til 99,9 prosent av lysets hastighet. De blir deretter guidet opp til overflaten og inn i en enorm, fabrikklignende hall, 300 meter lang. Aluminiumsrøret gafler inn i forskjellige detektorer, hvor blykjernene—hver bestående av 208 protoner og nøytroner, de elektrisk nøytrale tvillingene av protoner-smadrer inn i et stykke blyfolie som bare er noen få hundre mikrometer tykk.

hva skjer neste, i teorien, er enkelt: Kollisjonen skaper en ildkule intens nok til å smelte protoner og nøytroner. Kvarker og gluoner sirkulerer fritt, som de gjør dypt inne i et proton, men nå over en region som er mange protoner bredt, danner en kvark-gluon plasma. «Hvis du kjører Filmen Av Big Bang bakover, blir den tettere og tettere, varmere og varmere, «sier Reinhard Stock Fra Universitetet I Frankfurt, som bidro til å designe EN AV CERN-detektorer,» og vi vet at alle bundne strukturer bryter opp når deres energitetthet overstiger deres bindingsenergi.»Quantum chromodynamics krever at et kvark-gluon plasma eksisterer ved en viss energitetthet ,» men du må bevise at den eksisterer,» sier Stock. «Og det er derfor vi har vært her de siste 15 årene.»problemet er at laboratoriet ildkule ekspanderer raskt og kjøler raskt, akkurat som den opprinnelige man må ha gjort. Plasmaet overlever i bare 10-22 av et sekund før kvarker og gluoner kondenserer igjen til protoner og andre hadroner. Hva fysikere faktisk oppdager er en spray av tusenvis av slike partikler som kommer ut på baksiden av blyfolien. På Lager detektor, partiklene deretter fly gjennom et rom-sized boks med argongass, banke elektroner av argon atomer. Tellere registrerer elektronene, og datamaskiner rekonstruerer partikkelsporene, som avslører deres identitet. Når fysikere har analysert dataflommen-gir hver kollisjon 10 megabyte data—Og Stock og hans kolleger har registrert millioner av kollisjoner – de kan lære noe om den plasma-produserende ildkulen.I LØPET av de siste årene har Stocks detektorer og andre på CERN bekreftet at ildkulene er varme nok og tette nok til å produsere kvark-gluonplasma. De har funnet et overskudd av partikler som inneholder «rare» kvarker og mangel på de som inneholder «sjarm» – som begge er bivirkninger spådd av kvantekromodynamikk. (Merkelige kvarker og sjarmkvarker er eksotiske typer som ikke finnes i vanlige partikler.) Alt utgjør et kraftig tilfelle AT CERN har skapt kvark-gluonplasma-men det utgjør ikke bevis. «Problemet er at de ikke har vært i stand til å observere det direkte,» sier Tom Ludlam, fysiker Ved Brookhaven National Laboratory. Brookhav ‘ S Relativistiske Heavy Ion Collider, som er planlagt å begynne å gjøre fysikk i sommer, vil kollidere kjerner av gull ved 10 ganger energien som er mulig VED CERN, og dermed oppnå temperaturer som gjør at et kvark-gluonplasma kan overleve et lite øyeblikk lenger. Når kvarkene avkjøles fra en trillion grader, bør de avgi varmestråling, i form av gammastrålefotoner. Det er det mest direkte mulige signalet fra kvarkgluonplasmaet, Og Brookhaven ‘ s collider skal kunne oppdage det. Du kan tenke på det som lysets lys som universet utsendte da alle protonene ble født.Selv forskerne Ved Brookhaven vil ikke kunne svare på spørsmålet om hvor protoner kommer fra. Et sentralt mysterium vil forbli. Inne i et proton, som gluoner kommer og går, som kvarker og antikvarker kommer og går i sine utallige svermer, forblir ett tall konstant: det er alltid tre kvarker enn det er antikvarker. Det er kvarkene som» på det aller groveste nivået», som Wilczek sier det, utgjør protonen. Hvorfor er de viktige og ikke antimaterie? Hvorfor er universet laget av materie og ikke antimaterie? Svaret går utover kvantekromodynamikk. En liten ubalanse mellom kvarker og antikvarker, Hvis Wilczek og andre teoretikere har rett, var allerede tilstede i det opprinnelige kvarkgluonplasmaet. Å forstå opprinnelsen vil kreve akseleratorer som når enda høyere energier, for eksempel CERNS Large Hadron Collider. Det vil kreve nye typer teorier – noen som dessverre kan kreve at vi begynner å tenke på partikler som små sløyfer av streng og universet som å ha mange flere dimensjoner enn de fire vi kjenner og elsker. etter hvert som fysikken utvikler seg, kan bildet av protonen som kvantekromodynamikken har gitt oss, virke betryggende konkret og solid—selv om solid er akkurat hva en proton ikke er. Å fly inn i en – hvis du kan forestille deg å gjøre det, å ri den sterke kraften i en slags subnuclear glider-ville være som å falle gjennom Jordens atmosfære. Den øvre atmosfæren til protonet er en tynn cirrus av virtuelle kvark-antikvarkpar; de danner et skjold for det som ligger under. Når du faller forbi dem, blir atmosfæren tettere og tettere, skyene tykkere og tykkere. Flyet er truffet med økende frekvens og kraft av blinker av farge lyn-gluoner. Og så, kanskje fire femtedeler av veien gjennom nedstigningen din, kommer du ut av skydekket. Turen er roligere nå. Lynboltene har ikke forsvunnet; de har smeltet til et kontinuerlig ark, og på en eller annen måte føler du deg på en gang featherlight og immun mot alle krefter. Du er nær sentrum av protonen nå, helt fanget når du faller mot asymptoten av fullstendig frihet, og du finner . . . ikke mye.»jo nærmere du ser, desto mer finner du at protonet oppløses i mange partikler, som hver bærer veldig, veldig lite energi,» sier Wilczek. «Og elementene i virkeligheten som utløste hele greia, kvarkene, er disse små, små tingene midt i skyen. Faktisk, hvis du følger utviklingen til uendelig korte avstander, går utløserladningen til null. Hvis du virkelig studerer ligningene, blir det nesten mystisk.»