Was ist die Definition von Farbe (der Quantenzustand)?

Du hast gut gehört. Beachten Sie jedoch, dass dies nichts mit echter Farbe zu tun hat. Der Grund, warum Eigenschaft so genannt wurde, liegt an zufälligen Ähnlichkeiten mit der Farbmischung und daran, dass bestimmte Physiker einen seltsamen Sinn für Humor haben.

Quantenelektrodynamik

Beachten Sie, dass die Sache, über die sie sprechen, Farbladung ist . Daher erscheint es sinnvoll, zunächst die Eigenschaften normaler (elektrischer) Ladungen zu betrachten. Reden wir zum Beispiel über Elektronen. Aus der klassischen Physik wissen wir, dass geladene Objekte um sich herum ein elektromagnetisches Feld erzeugen und dieses Feld wiederum auf geladene Teilchen einwirkt. In der Quantentheorie muss man dieses Feld quantisieren. Das Quant des elektromagnetischen Feldes ist ein Photon, und daher sagt uns die Quantentheorie, dass geladene Objekte elektromagnetisch interagieren, indem sie Photonen austauschen

_{(Quelle: stanford.edu )}

Lies das Bild von links nach rechts. Elektron strahlt Photon aus, dadurch ändert es die Richtung und das andere Elektron nimmt es ebenfalls auf. So erklärt die Quantentheorie die elektromagnetische Wechselwirkung.

Quantenchromodynamik

Hinweis: Die folgende Diskussion ist aufgrund der inhärenten Komplexität der Quantentheorie technisch nicht präzise. Auf einige Punkte gehe ich danach in einem gesonderten Absatz näher ein.

Mit dem oben genannten Wissen im Gepäck ist es nicht mehr so ​​schwer, die Quantenchromodynamik (aus dem Griechischen Χρώμα, Chroma bedeutet Farbe) zu beschreiben. Anstelle von elektrischer Ladung können Gegenstände sogenannte Farbladungen tragen. Aber es gibt nicht nur eine davon, sondern drei: Rot, Grün, Blau (ja, das ist eine der oberflächlichen Ähnlichkeiten zu gewöhnlichen Farben).

Okay, wir brauchen eine weitere Zutat in unserer Theorie – etwas, das Photonen ersetzen würde. Ein solches Teilchen existiert und wird Gluon genannt . Beachten Sie jedoch, dass es zwar ausreichte, nur eine Art von Photon zu haben (weil es nur eine elektrische Ladung gab), wir aber mehr Gluonen benötigen, um verschiedene Arten von Wechselwirkungen zu vermitteln (z. B. Wechselwirkung zwischen rotem Quark und blauem Quark, die durch rot vermittelt würde). -antiblaues Gluon usw.). Wir haben also insgesamt neun Arten von Gluonen, richtig? Nun, es gibt eigentlich nur acht davon, und das ist eine der technischen Einzelheiten, auf die ich später eingehen werde.

Beachten Sie, dass die Quantenchromodynamik voraussagt, dass gebundene Zustände von farbigen Partikeln "weiß" sein müssen, was bedeutet, dass sie zB drei Partikel enthalten sollten, ein rotes, ein blaues und ein grünes (dies ist eine weitere Ähnlichkeit mit der realen Farbmischung). „Weiße“ Teilchen, die drei Quarks enthalten, nennt man Baryonen, und Sie sollten mindestens zwei davon kennen: Protonen und Neutronen. Tatsächlich stellt sich heraus, dass es mehr als einen Quarktyp gibt (eigentlich sechs) und man erhält verschiedene Teilchen, indem man verschiedene Arten davon mischt. Zwei Lichtquarks heißen up und down . Proton enthält zwei Höhen und eine Tiefe, während Neutronen eine Höhe und zwei Tiefen enthalten. Okay, mal sehen, wie das funktioniert:

Dies ist ein ziemlich kompliziertes Diagramm, da ich nichts Einfacheres finden konnte, aber lassen Sie mich versuchen zu erklären, was vor sich geht. Das blaue Quark des ankommenden Protons emittiert blau-antirotes Gluon und wird dadurch rot und ändert auch ein wenig die Richtung. Dieses Gluon wird dann von seinem roten Down-Quark eingefangen und dieses wandelt es in Blau um und wirft es aus dem Proton heraus. Ähnliches passiert mit dem Green-Up-Quark, nur dass am Ende Antiblue- Up aus dem Proton herausgeschleudert wird. Wir haben also ein blau-antiblaues Up/Down-Paar. Dies ist ein farbneutrales Teilchen und wird Pion genannt .

Aus Sicht des Neutrons gilt genau die gleiche Diskussion, also hoffe ich, dass dies jetzt zumindest ein wenig klar ist. Was dieses Bild tatsächlich erklärt, ist, wie starke Wechselwirkungen zwischen Proton und Neutron im Kern aus der Sicht der Quantenchromodynamik erklärt werden.

Technische Details

Die gesamte obige Diskussion wird in sogenannten Eichtheorien zusammengefasst. Dies sind Theorien, die eine bestimmte Anzahl von Ladungen enthalten,$N$(z.B$N = 1$für Elektromagnetismus) und eine bestimmte Anzahl von Wechselwirkungsteilchen. Aber um ihre Anzahl zu spezifizieren, müssen wir zuerst über die Gruppe der Symmetrien der besagten Theorie sprechen.

Für Elektromagnetismus ist diese Gruppe$U(1)$das ist eindimensional und es gibt nur ein Photon. Für schwache Wechselwirkungen gibt es zwei Ladungen, sogenannte Flavours und die dazu korrespondierende Gruppe$SU(2)$; dieser ist dreidimensional, also erhalten wir drei vermittelnde Teilchen:$Z, W^{\pm}$. Für starke Wechselwirkungen gibt es drei Farben und die Gruppe, die ihre Mischung beschreibt$SU(3)$. Dieser ist achtdimensional und gibt uns acht Gluonen. Man könnte auch versuchen, zu verwenden$U(3)$Gruppe, die neundimensional ist. Dies wird aber durch Experimente (!) ausgeschlossen. Um zu verstehen, warum, lassen Sie mich präzise andere Aussagen machen, die ich stark vereinfacht habe.

In der Quantentheorie entstehen Zustände oft durch Überlagerung anderer, elementarerer Zustände. Es stellt sich heraus, dass, wenn man von blau-antirotem Gluon spricht, eigentlich die Superposition gemeint ist

$${1 \over \sqrt 2} \big( \big|b\big>\big|\bar r\big> + \big|\bar b\big>\big| r\big> \big)$$

und ähnlich in anderen Fällen. Dies liegt daran, dass der Theorie bestimmte Symmetriebedingungen auferlegt werden und dieser Zustand unveränderlich ist, wenn wir tauschen$b$und$r$(es wäre nicht, wenn es nur einen Teil enthalten würde); aber natürlich wäre es schmerzhaft, diese Formel immer explizit vorzulesen, wenn man über Gluonen sprechen will; daher die Vereinfachung.

Nun, wie wir bereits erwähnt haben, müssen die tatsächlichen gebundenen Zustände oder Partikel farbneutral sein. Es stellt sich heraus, dass Gluonen selbst einen Skalarzustand erzeugen könnten

$${1 \over \sqrt 3} \big( \big|b\big>\big|\bar b\big> + \big|r\big>\big|\bar r\big> + \big|g\big>\big|\bar g\big> \big)$$

Wenn dieser Zustand in der Natur existieren würde, gäbe es eine weitreichende Gluon-Wechselwirkung. Aber wir wissen, dass es nicht so ist. Die tatsächliche Gruppe ist also kleiner, eben$SU(3)$und wir haben acht Gluonen übrig.

Lassen Sie mich hier eine einfache und grundlegende Antwort geben; vielleicht kann jemand anderes genaueres sagen.

Der beste Weg, sich Farbe vorzustellen, ist etwas Analoges zur Ladung im Elektromagnetismus. (Tatsächlich wird Farbe oft als Farbladung bezeichnet ). Es ist die grundlegende Eigenschaft von Teilchen, die sich auf die starke Kraft bezieht, und kommt wie elektrische Ladung in diskreten Werten vor (als Rot, Grün und Blau bezeichnet - nehmen Sie sie jedoch nicht wörtlich). Beachten Sie jedoch, dass die starke Integration weitaus komplexer funktioniert als der Elektromagnetismus (Maxwellsche oder sogar Quantenelektrodynamik).

Im Wikipedia-Artikel heißt es:

Die „Farbe“ von Quarks und Gluonen ist völlig unabhängig von der visuellen Farbwahrnehmung.[1] Vielmehr ist es ein skurriler Name für eine Eigenschaft, die sich in Entfernungen über der Größe eines Atomkerns fast nicht manifestiert. Der Begriff Farbe wurde gewählt, weil die abstrakte Eigenschaft, auf die er sich bezieht, drei Aspekte hat, die mit den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau analogisiert sind.[2] Im Vergleich dazu hat die elektromagnetische Ladung einen einzigen Aspekt, der die Werte positiv oder negativ annimmt.