מה אומרות התיאוריות

תיאוריית הקיו סי די, המהווה את החלק מהמודל הסטנדרטי המסביר את הכוח החזק, בנוייה על מספר רב של הנחות חדשות שלא היה להן אח ורע בקרב התיאוריות הפיזיקליות הידועות. הקיו סי די הכניס לראשונה את מושג שלושת הצבעים, את הרעיון שיש חלקיקים "שאסור להם להתקיים" משום שהצבע שלהם אינו "לבן" וכו'. בהיסטוריה של הפיזיקה אין כמעט דוגמאות לתיאוריות כאלה, אשר על מנת שתעמודנה במבחן המציאות הומצאו עבורן כל כך הרבה הנחות חדשות, ללא תהליך של התפתחות היסטורית מדורגת.

במאמר מוסגר, ניתן לאמר שהעובדה שתיאוריה נזקקת לכמות גדולה של הנחות חדשות, והעובדה שהנחות אלו מהוות "שפה חדשה", מהווה למעשה חולשה של התיאוריה. תיאוריה טובה היא תיאוריה הנזקקת למינימום הנחות חדשות, והיא אינטואיטיביות ככל שאפשר. מצד שני, כולנו רומנטיים באיזשהו אופן, ונשמח לגלות שהטבע אכן מתנהג באופן מפתיע כל כך.

מה ידעו אז
הולדתה של תיאוריית הקיו סי די בסוף שנות השישים ובשנות השבעים של המאה הקודמת, והעובדה שהיא נקלטה כתיאוריה בלתי ניתנת לערעור, הינה פרי מהלך היסטורי מרתק. המדענים כבר גילו באותה תקופה את הקווארקים המרכיבים את הנוקליאונים – הפרוטונים והניוטרונים – כמו גם חלקיקים נוספים, המכילים קווארקים, המכונים בשם כללי הדרונים. כאשר ניסו הפיזיקאים להבין את מהות הכוח המחזיק את הקווארקים בתוך ההדרונים הם עמדו בפני מספר שאלות. מתוכן, אלו השאלות המרכזיות:

– מדוע נוקליאונים מכילים בדיוק שלושה קווארקים?
– מדוע אין חלקיקים המכילים שני קווארקים בלבד (או ארבעה קווארקים)?
– מדוע קיימים מזונים המכילים קווארק ואנטיקווארק?
– כיצד מתנהג הכוח המחזיק את הקווארקים יחדיו?
– מהו ההסבר ל"חוק שימור הבריונים" ? חוק זה אומר שמספר הבריונים נשאר קבוע בתהליכים פיזיקאלים. הנוקליאונים שייכים למשפחת הבריונים.
– מהו ההסבר לקיומם של החלקיקים "אומגה מינוס" ושל "דלתא++" ? (נושא זה יוסבר בכתבה אחרת)
– כיצד מוסבר הדימיון בין הכוח הגרעיני לבין כוח ון דר ואלס?

בתקופה זו, עדיין לא היה ידוע ששלושת הקווארקים החיצוניים נושאים פחות ממחצית המומנטום הליניארי של נוקליאון הנע במהירות מתאימה. כלומר, רוב המסה של הנוקליאון נמצא מחוץ לקווארקים אלה. יתכן, שאילו היה מידע זה מונח על שולחנם של המדענים, היו מאמצים ללא קושי תיאוריה המניחה שקיימים אובייקטים מסיביים בנוקליאונים. אולם עובדה זו התגלתה רק אחרי שקיו סי די קיבלה הכרה ממספר רב של מדענים.

מה אומרת התיאוריה של קומאי
המודל של קומאי, המתבסס על הדמיון בין הכוח הגרעיני החזק לכוח ון דר ואלס, מניח שהכוח החזק דומה במהותו לכוח החשמלי, כלומר חלקיקים עם "מטען חזק" שווה סימן דוחים זה את זה, ואילו חלקיקים עם "מטענים חזקים הפוכים" מושכים זה את זה. קומאי מניח שיש בנוקליאון ליבה בעלת מטען חזק חיובי, ואילו הקווארקים הינם בעלי מטען חזק שלילי. מכאן מתקבל שהליבה מושכת את הקווארקים אליה, והקווארקים דוחים זה את זה, באופן דומה מאוד לפעולתו של הכוח החשמלי באטום. גודל מטען הליבה הוא שלוש יחידות, ואילו גודל מטען הקווארק הינו יחידה (שלילית) אחת. וכך, ללא הנחות משמעותיות נוספות, נענות השאלות שעמדו הפזיקאים בפניהן באופן מתבקש:

– לליבת הנוקליאון יש מטען של שלושה קווארקים (ובסימן הפוך), משום שהנוקליאונים נייטרלים מבחינת המטען החזק.
– שני קווארקים דוחים זה את זה ולכן אין חלקיקים המכילים שני קווארקים בלבד.
– קווארק ואנטיקווארק מושכים זה את זה ולכן קיימים מזונים. (הרעיון שאנטי חלקיק נושא מטען הפוך ממטענו של החלקיק, מהווה נכס צאן ברזל של פיזיקת החלקיקים במשך הרבה יותר מחצי מאה.)
– חוק שימור הבריונים נובע מכך שלכל בריון יש ליבה, ולכן מספר הבריונים הוא כמספר הליבות.
– מודל זה משמש בסיס להסבר של הדימיון בין כוחות ון דר ולס לבין הכוח הגרעיני החזק משום שהם נובעים מכך ששניהם כוחות שיוריים ושהכוחות היסודיים הם כוחות של משיכה בין מטענים שוני סימן ודחייה בין מטענים שווי סימן.

סביר להניח, שאילו היה ידוע אז, שרוב המומנטום של הנוקליאון איננו בקווארקים החיצוניים, הייתה תיאוריה זו נקלטת בקלות. לתיאוריה זו יש ניואנס מסויים: ככל הנראה, ישנם קווארקים נוספים בקליפות פנימיות יותר של הנוקליאון, בדומה לאטום בעל מספר קליפות מלאות של אלקטרונים ושלושה אלקטרונים בקליפה החיצונית. הנחה זו חשובה כי היא מאפשרת להסביר מספר תופעות אשר לקיו סי די כלל אין הסבר, כמו למשל העלייה בגרף חתך הפעולה האלסטי (וגם הכללי) בהתנגשות בין פרוטונים באנרגיות גבוהות מאד. לעניין זה אתייחס בקרוב בכתבה אחרת.

קומאי ניסח את התנהגות הכוח החזק באופן ברור ושלם, המסביר תופעות נוספות הסותרות את המודלים הקיימים. גם על כך בכתבות אחרות באתר זה.

מה טוען קיו סי די
לעומת ההנחה שיש בנוקליאון ליבה, ראו איזו סדרת הנחות חדשות (חלקן פנטסטיות) היה צורך להמציא במהלך בניית תיאוריית הקיו סי די כדי לענות על שאלות המפתח בעניין הכוח החזק:

– הכוח מורכב משלושה צבעים (רעיון חדש שהוצג לראשונה עם הולדת קיו סי די)
– לכל קווארק יש צבע אחר
– רק חלקיקים המכילים את כל הצבעים במידה שווה (בעלי צבע "לבן") ניתנים למדידה פיזיקאלית. לשאר הצרופים "אסור" להתקיים כישות נפרדת.
– הכוח מועבר בין הקווארקים בעזרת גלואונים, שהם חלקיקים ללא מסה
– לכל גלואון יש צבע ואנטי-צבע (ולכן לא ניתן לגלות גלואון בודד במדידה פיזיקאלית)
– קיים כוח משיכה בין קווארקים, והוא מתחזק ככל שהקווארקים מתרחקים זה מזה. (הפוך מכל הכוחות הבסיסיים הידועים בטבע).

לאחר שהומצאה קיו סי די, הסתבר שרוב מסת הנוקליאון איננה בקווארקים החיצוניים. ולכן, קבעו המדענים, הגלואונים הם אלו הנושאים מסה חסרה זו. רעיון זה מניח שהתנהגות הגלואון שונה מהותית מהתנהגות חלקיק אחר – הפוטון – אשר גם הוא חסר מסת מנוחה. לפוטון יש תכונה דומה לגלואון, והוא אחראי על העברת הכוח האלקטרומגנטי, למשל, בין פרוטון לאלקטרון.

השאלות שלא נשאלות
על פי נוסחאות הקיו סי די, הכוח אשר בין שני קווארקים מתחזק ככל שהם מתרחקים זה מזה. לא ברור, אם כן, מדוע קווארק הנמצא על הירח איננו נמשך לקווארק שעל כדור הארץ בכוח אדיר. מבחינת קיו סי די זו עדיין בעיה פתוחה.

לגבי השאלות בעניין הכוח הפועל בין הנוקליאונים – הכוח הגרעיני החזק – מסתבר שהנושא נמצא על "קו התפר" בין ענף החלקיקים האלמנטריים לבין ענף הפיזיקה הגרעינית, ואין תיאוריה אשר המדענים עומדים מאחוריה באופן ברור. טענה רווחת ומוצדקת אומרת שהכוח הגרעיני הינו "כוח שיורי", כלומר נוצר בעצם כתוצאה מהכוח החזק הפועל בין הקווארקים, ומכאן דמיונו לכוח ון דר ואלס. מאידך, כוח ון דר ואלס קיים רק מפני שהכוח החשמלי הוא בעל מבנה פשוט המהווה שילוב של כוחות משיכה בין מטענים שוני סימן וכוחות דחייה בין מטענים שווי סימן. לעומת זאת, הכוח המתואר על ידי קיו סי די הינו כוח בעל מבנה מסובך מאד, אשר איננו מסביר את המנגנון הגורם לו להופיע ככוח "שיורי" כאשר מדובר בנוקלאונים בגרעין.

בנוסף, אולי לצורכי גיבוי, אין בספרות פסילה ברורה של ההסבר שניתן על ידי יוקאווה בשנות השלושים של המאה הקודמת, על אף שאין שום קשר בין כוח יוקאווה לבין כוח שיורי כלשהו.

במצב עניינים זה, לא ברור גם מדוע בתוך גרעין האטום, הקווארקים בנוקליאון אחד אינם נמשכים בעוצמה לקווארקים אשר בנוקליאון השכן. לא ברור גם כיצד נוצר גרף הפוטנציאל שבכתבה הקודמת. אין שום הסבר לכך שצפיפות הנוקליאונים בגרעיני אטומים כבדים הינה קבועה. וכפי שכבר נאמר, אין הסבר מניח את הדעת לאפקט EMC הראשון.

כשלונות נוספים של קיו סי די מוזכרים בכתבות הבאות.

עוד הערה, בעלת אופי "מתמטי", בעניין כוח ון דר ואלס והכוח הגרעיני החזק. התכונה הבולטת של כוח ון דר ואלס ושל הכוח הגרעיני החזק היא העובדה שכאשר החלקיקים מתרחקים זה מזה הכוח דועך במהירות. ההסבר במקרה של ון דר ואלס ניתן על ידי "אפקט המיסוך", כלומר, מחוץ למולקולה האלקטרונים והפרוטונים, הנושאים מטענים שוני סימן, מבטלים זה את השפעתו של זה כאשר מצב האלקטרונים הינו בעל סימטריה כדורית, וכמעט מבטלים זה את השפעתו של זה כשאין סימטריה כזו. לאפקט זה ישנה סיבה מתמטית עמוקה, והיא שעוצמת הכוח המקורי דועכת על פי ריבוע המרחק. התנאים הללו, אשר מתקיימים על ידי תורת החשמל, מהווים תנאי מספיק לקיומה של תופעת המיסוך. המודל של קומאי אכן מתאר שני כוחות, דחייה בין הקווארקים ומשיכה בין כל קווארק לליבת הנוקליאון. כוחות אלה אנלוגיים לכוחות החשמליים, ומקיימים תכונה מתמטית זו. לעומת זאת, במקרה של קיו סי די, הבנוי על נוסחאות אחרות, כלל לא ברור כיצד מתקבל הדימיון לכוח ון-דר-ואלס.