Jeśli wsiądziesz na pokład Magicznego Szkolnego Autobusu i zaczniesz się kurczyć - mniejszy niż mrówka, ameba lub pojedyncza komórka, a następnie będziesz się kurczyć, aż pojedyncze atomy będą tak duże jak całe światy, a nawet ich cząsteczki górują nad tobą - będziesz wejdź do świata z ogromnymi sprzecznymi naciskami.
W centrum protonu ciśnienie większe niż to, które znajduje się wewnątrz gwiazdy neutronowej, wyrzuciłoby cię w kierunku krawędzi cząsteczki. Ale na zewnętrznych granicach protonu równa i przeciwna siła popchnie cię w kierunku centrum protonu. Po drodze zostaniesz zderzony z działającymi na boki siłami ścinającymi, które znacznie przewyższają wszystko, czego kiedykolwiek doświadczy ktoś.
Nowy artykuł, opublikowany 22 lutego w czasopiśmie Physical Review Letters, oferuje najbardziej kompletny jak dotąd opis konkurujących ciśnień wewnątrz protonu, nie tylko pod względem kwarków - cząstek, które nadają protonowi swoją masę - ale jego gluony, bezmasowe cząsteczki, które łączą te kwarki razem.
Ten bulgoczący, wrzący stan kwantowy
Proste opisy protonów obejmują tylko trzy kwarki połączone razem przez wiązkę gluonów. Ale te opisy są niepełne, powiedziała współautorka badań Phiala Shanahan, fizyk z Massachusetts Institute of Technology (MIT).
„Proton składa się z grupy gluonów, a następnie z grupy kwarków” - powiedział Shanahan Live Live. „Nie tylko trzy. Istnieją trzy główne kwarki, a następnie dowolna liczba par kwark-antykwark, które pojawiają się i znikają… i wszystkie skomplikowane interakcje tego bąbelkowego, wrzącego stanu kwantowego generują ciśnienie”.
Shanahan i współautor William Detmold, który jest również fizykiem w MIT, odkryli, że gluony wytwarzają około dwa razy więcej ciśnienia niż kwarki w protonie i że ciśnienie to rozkłada się na szerszy obszar niż wcześniej znane. Odkryli, że całkowite ciśnienie protonu osiąga wartość szczytową przy 100 decylionach (lub 1 z 35 zerami po nim) paskalach - lub około 260 sekstylionach (lub 26 z 22 zerami po nim) razy ciśnienie w centrum Ziemi.
Krytycznie to ciśnienie wskazuje w dwóch różnych kierunkach.
„Jest obszar nadciśnienia, więc musi być też obszar podciśnienia” - powiedziała. „Gdyby istniał tylko obszar nadciśnienia, proton kontynuowałby ekspansję i nie byłby stabilny”.
Bardzo duża kalkulacja
Jednak pomimo ogromnych nacisków naukowcy nie mogą bezpośrednio zmierzyć ich w większości przypadków. Aby zbadać wnętrza protonów, naukowcy bombardują je jeszcze mniejszymi elektronami przy bardzo wysokich energiach. W trakcie tego procesu zmieniają protony. Żaden znany eksperyment nie może ujawnić, jak to jest w protonie przy niskich energiach, których zwykle doświadczają.
Dlatego naukowcy opierają się na teorii kwantowej chromodynamiki (QCD) - która opisuje kwarki i silne gluony przenoszące siłę, które je łączą. Naukowcy wiedzą, że QCD działa, ponieważ eksperymenty na wysokich energiach potwierdzają jego przewidywania, powiedział Detmold. Ale przy niskich energiach muszą polegać na matematyce i obliczeniach.
„Niestety bardzo trudno jest analizować analitycznie, zapisując równania za pomocą pióra i papieru” - powiedział Shanahan.
Zamiast tego badacze zwracają się do superkomputerów, które łączą w sobie tysiące rdzeni procesorów, aby rozwiązać skomplikowane równania.
Powiedziała, że nawet przy współpracy dwóch superkomputerów obliczenia trwały około roku.
Shanahan i Detmold rozbili proton na różne wymiary (trzy dla przestrzeni i jeden dla czasu), aby uprościć problem, który musiały rozwiązać superkomputery.
Zamiast pojedynczej liczby powstała mapa ciśnienia wyglądałaby jak pole strzałek o różnych rozmiarach i skierowanych w różnych kierunkach.
Więc odpowiedź na pytanie: „Jaka jest presja wewnątrz protonu?” zależy bardzo od tego, o którą część protonu pytasz.
To zależy również od promienia protonu. Jeśli protony są workami gluonów i kwarków, worki te rosną i kurczą się w zależności od innych działających na nie cząstek. Tak więc wyniki Shanahan i Detmolda nie sprowadzają się do jednej liczby.
Ale teraz nasze mapy skrajności wszystkich tych małych, wrzących światów w nas są o wiele bardziej żywe.
