Κανείς δεν ξέρει πραγματικά τι συμβαίνει μέσα σε ένα άτομο. Αλλά δύο ανταγωνιστικές ομάδες επιστημόνων πιστεύουν ότι το έχουν καταλάβει. Και οι δύο αγωνίζονται για να αποδείξουν ότι το όραμά τους είναι σωστό.
Εδώ είναι αυτό που ξέρουμε σίγουρα: Τα ηλεκτρόνια σφύζουν γύρω από τα "τροχιακά" στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου. Έπειτα, υπάρχει ένας άφθονος κενός χώρος. Και στη συνέχεια, ακριβώς στο κέντρο αυτού του χώρου, υπάρχει ένας μικροσκοπικός πυρήνας - ένας πυκνός κόμπος πρωτονίων και νετρονίων που δίνουν στο άτομο το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια συσσωρεύονται μαζί, που δεσμεύονται από αυτό που ονομάζεται ισχυρή δύναμη. Και οι αριθμοί αυτών των πρωτονίων και νετρονίων καθορίζουν αν το άτομο είναι σίδηρος ή οξυγόνο ή ξένον και αν είναι ραδιενεργό ή σταθερό.
Ακόμα, κανείς δεν ξέρει πώς αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια (μαζί γνωστά ως νουκλεόνια) συμπεριφέρονται μέσα σε ένα άτομο. Έξω από ένα άτομο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν συγκεκριμένα μεγέθη και σχήματα. Κάθε ένα από αυτά αποτελείται από τρία μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκς και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των κουάρκ είναι τόσο έντονες ώστε καμία εξωτερική δύναμη δεν θα πρέπει να μπορεί να τους παραμορφώσει ούτε και οι ισχυρές δυνάμεις μεταξύ σωματιδίων σε έναν πυρήνα. Αλλά εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η θεωρία είναι κατά κάποιο τρόπο λανθασμένη. Τα πειράματα έχουν δείξει ότι, μέσα σε έναν πυρήνα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια φαίνονται πολύ μεγαλύτερα από αυτά που πρέπει να είναι. Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει δύο ανταγωνιστικές θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν αυτό το παράξενο αναντιστοιχία, και οι υποστηρικτές του καθενός είναι αρκετά σίγουροι ότι ο άλλος είναι εσφαλμένος. Και τα δύο στρατόπεδα συμφωνούν, ωστόσο, ότι όποια και αν είναι η σωστή απάντηση, πρέπει να προέρχεται από ένα πεδίο πέρα από το δικό τους.
Από τουλάχιστον την δεκαετία του 1940, οι φυσικοί έχουν γνωρίσει ότι τα νουκλεόνια κινούνται σε σφιχτά μικρά τροχιακά μέσα στον πυρήνα, δήλωσε ο Ζαρντ Μίλερ, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Τα νουκλεόνια, που περιορίζονται στις κινήσεις τους, έχουν πολύ λίγη ενέργεια. Δεν αναπηδούν πολύ, συγκρατημένοι από την ισχυρή δύναμη.
Το 1983, οι φυσικοί του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) διαπίστωσαν κάτι περίεργο: Οι δέσμες των ηλεκτρονίων αναπήδησαν από το σίδερο με τρόπο που ήταν πολύ διαφορετικός από το πώς αναπηδήθηκαν από τα ελεύθερα πρωτόνια, είπε ο Μίλλερ. Αυτό ήταν απροσδόκητο. αν τα πρωτόνια στο εσωτερικό του υδρογόνου είχαν το ίδιο μέγεθος με τα πρωτόνια μέσα στο σίδηρο, τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να έχουν αναπηδήσει με τον ίδιο τρόπο.
Αρχικά, οι ερευνητές δεν γνώριζαν τι έβλεπαν.
Αλλά με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν θέμα μεγέθους. Για κάποιο λόγο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στους βαρείς πυρήνες δρουν σαν να είναι πολύ μεγαλύτερα από όταν βρίσκονται έξω από τους πυρήνες. Οι ερευνητές ονομάζουν αυτό το φαινόμενο το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, μετά την Ευρωπαϊκή Συνεργασία Muon - την ομάδα που την ανακάλυψε τυχαία. Παραβιάζει τις υπάρχουσες θεωρίες της πυρηνικής φυσικής.
Ή η Hen, ένας πυρηνικός φυσικός στο MIT, έχει μια ιδέα που θα μπορούσε ενδεχομένως να εξηγήσει τι συμβαίνει.
Ενώ τα κουάρκ, τα υποατομικά σωματίδια που σχηματίζουν νουκλεόνια, αλληλεπιδρούν έντονα μέσα σε ένα δεδομένο πρωτόνιο ή νετρόνιο, τα κουάρκ σε διαφορετικά πρωτόνια και τα νετρόνια δεν μπορούν να αλληλεπιδρούν πολύ μεταξύ τους, είπε. Η ισχυρή δύναμη μέσα σε ένα νουκλεόνιο είναι τόσο ισχυρή που εκλείφει τα ισχυρά πυρακτωμένα πυρακτώδη δύναμη σε άλλα νουκλεόνια.
"Φανταστείτε να κάθεστε στο δωμάτιό σας μιλώντας σε δύο από τους φίλους σας με τα παράθυρα κλειστά", δήλωσε ο Hen.
Το τρίο στο δωμάτιο είναι τρία κουάρκ μέσα σε ένα νετρόνιο ή ένα πρωτόνιο.
"Ένα φως αεράκι φυσά έξω," είπε.
Αυτό το ελαφρύ αεράκι είναι η δύναμη που κρατάει το πρωτόνιο ή το νετρόνιο σε κοντινούς πυρήνες που βρίσκονται έξω από το παράθυρο. Ακόμα κι αν έσκασε λίγο από το κλειστό παράθυρο, είπε ο Χεν, δεν θα σε επηρέασε.
Και όσο οι πυρήνες παραμένουν στα τροχιακά τους, έτσι συμβαίνει. Ωστόσο, ανέφερε, πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει ότι σε κάθε δεδομένη στιγμή, περίπου το 20% των νουκλεονίων στον πυρήνα είναι στην πραγματικότητα έξω από τα τροχιακά τους. Αντ 'αυτού, συνδέονται με άλλα νουκλεόνια, αλληλεπιδρώντας σε "συσχετίσεις μικρής εμβέλειας". Κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νουκλεονίων είναι πολύ υψηλότερες από ό, τι συνήθως, είπε. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κουάρκ τυλίγονται μέσα από τα τοιχώματα των μεμονωμένων νουκλεονίων τους και αρχίζουν να αλληλεπιδρούν άμεσα και αυτές οι αλληλεπιδράσεις quark-quark είναι πολύ πιο ισχυρές από τις αλληλεπιδράσεις νουκλεονίου-νουκλεονίου.
Αυτές οι αλληλεπιδράσεις διασπούν τους τοίχους που διαχωρίζουν τα κουάρκ μέσα σε μεμονωμένα πρωτόνια ή νετρόνια, είπε η Hen. Τα κουάρκ που αποτελούν ένα πρωτόνιο και τα κουάρκ που αποτελούν ένα άλλο πρωτόνιο αρχίζουν να καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο. Αυτό αναγκάζει τα πρωτόνια (ή τα νετρόνια, ανάλογα με την περίπτωση) να τεντώσουν και να θολώσουν, είπε ο Hen. Αυξάνονται πολύ, αν και για πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Αυτό στρεβλώνει το μέσο μέγεθος ολόκληρης της κοόρτης στον πυρήνα - παράγοντας το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Οι περισσότεροι φυσικοί τώρα αποδέχονται αυτή την ερμηνεία του αποτελέσματος της EMC, είπε η Hen. Και ο Μίλερ, ο οποίος συνεργάστηκε με την Hen σε ορισμένες από τις βασικές έρευνες, συμφώνησε.
Αλλά όλοι δεν πιστεύουν ότι η ομάδα του Hen έχει το πρόβλημα που έχει επιλυθεί. Ο Ian Cloët, πυρηνικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Illinois, δήλωσε ότι πιστεύει ότι το έργο του Hen κάνει συμπεράσματα ότι τα δεδομένα δεν υποστηρίζουν πλήρως.
"Νομίζω ότι το φαινόμενο EMC παραμένει άλυτο", ανέφερε ο Cloët στην Live Science. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το βασικό μοντέλο της πυρηνικής φυσικής αντιπροσωπεύει ήδη ένα μεγάλο μέρος του ζευγαριού μικρής εμβέλειας που περιγράφει ο Hen. Ωστόσο, "εάν χρησιμοποιήσετε αυτό το μοντέλο για να δοκιμάσετε το φαινόμενο EMC, δεν θα περιγράψετε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC)." Δεν υπάρχει επιτυχής εξήγηση για το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας χρησιμοποιώντας αυτό το πλαίσιο.
Το Hen και οι συνεργάτες του κάνουν πειραματικό έργο που είναι «γενναίος» και «πολύ καλή επιστήμη», είπε. Αλλά δεν επιλύει πλήρως το πρόβλημα του ατομικού πυρήνα.
"Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι το παραδοσιακό μοντέλο πυρηνικής φυσικής ... δεν μπορεί να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο EMC", είπε. «Πιστεύουμε τώρα ότι η εξήγηση πρέπει να προέρχεται από το ίδιο το QCD».
Το QCD σημαίνει κβαντική χρωμοδυναμική - το σύστημα των κανόνων που διέπουν τη συμπεριφορά των κουάρκ. Η μετάβαση από την πυρηνική φυσική στο QCD είναι λίγο σαν να βλέπαμε την ίδια εικόνα δύο φορές: μια φορά σε ένα flip τηλέφωνο πρώτης γενιάς - αυτή είναι η πυρηνική φυσική - και στη συνέχεια σε μια τηλεόραση υψηλής ανάλυσης - αυτή είναι η κβαντική χρωμοδυναμική. Η τηλεόραση υψηλής ανάλυσης προσφέρει πολύ περισσότερες λεπτομέρειες, αλλά είναι πολύ πιο περίπλοκη η κατασκευή.
Το πρόβλημα είναι ότι οι πλήρεις εξισώσεις QCD που περιγράφουν όλα τα κουάρκ σε έναν πυρήνα είναι πολύ δύσκολο να λυθούν, ο Cloët και το Hen είπαν. Οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές είναι περίπου 100 χρόνια μακριά από το να είναι αρκετά γρήγοροι για το έργο, εκτιμάται ο Cloët. Και ακόμα κι αν οι υπερυπολογιστές ήταν αρκετά γρήγοροι σήμερα, οι εξισώσεις δεν έχουν προχωρήσει στο σημείο όπου θα μπορούσατε να τις συνδέσετε σε έναν υπολογιστή, είπε.
Ωστόσο, είπε, είναι δυνατό να συνεργαστείτε με το QCD για να απαντήσετε σε κάποιες ερωτήσεις. Και τώρα, είπε, αυτές οι απαντήσεις προσφέρουν διαφορετική εξήγηση για το φαινόμενο EMC: Θεωρία πυρηνικών μέσων πεδίων.
Διαφωνεί ότι το 20% των νουκλεονίων στον πυρήνα συνδέεται σε συσχετίσεις μικρής εμβέλειας. Τα πειράματα δεν το αποδεικνύουν, είπε. Και υπάρχουν θεωρητικά προβλήματα με την ιδέα.
Αυτό δείχνει ότι χρειαζόμαστε ένα διαφορετικό μοντέλο, είπε.
"Η εικόνα που έχω είναι ότι ξέρουμε ότι μέσα σε έναν πυρήνα είναι αυτές οι πολύ ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις", ανέφερε ο Cloët. Αυτά είναι "κάπως ηλεκτρομαγνητικά πεδία, εκτός κι αν είναι ισχυρά πεδία δυνάμεων".
Τα πεδία λειτουργούν σε τόσο μικρές αποστάσεις, ότι είναι αμελητέου μεγέθους έξω από τον πυρήνα, αλλά είναι ισχυρά μέσα σε αυτό.
Στο μοντέλο του Cloët, αυτά τα πεδία δυνάμεων, τα οποία ονομάζει "πεδία" (για τη συνδυασμένη δύναμη που μεταφέρουν), παραμορφώνουν την εσωτερική δομή των πρωτονίων, των νετρονίων και των πυρίων (ένα είδος ισχυρού σωματιδίου που μεταφέρει δύναμη).
"Όπως και αν παίρνετε ένα άτομο και το βάζετε μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα αλλάξετε την εσωτερική δομή αυτού του ατόμου", δήλωσε ο Cloët.
Με άλλα λόγια, θεωρητικοί μέσου πεδίου πιστεύουν ότι το σφραγισμένο δωμάτιο Hen έχει τρύπες στους τοίχους του, και ο άνεμος φυσάει για να χτυπήσει τα κουάρκ γύρω από αυτά, τα τεντώσει έξω.
Ο Cloët αναγνώρισε ότι είναι πιθανές συσχετίσεις μικρής εμβέλειας να εξηγήσουν πιθανό μέρος της επίδρασης της EMC, και ο Hen δήλωσε ότι τα πεδία πιθανό να διαδραματίζουν επίσης ρόλο.
"Το ερώτημα είναι αυτό που κυριαρχεί," είπε ο Cloët.
Ο Miller, ο οποίος έχει επίσης εργαστεί εκτεταμένα με τον Cloët, δήλωσε ότι το μέσο πεδίο έχει το πλεονέκτημα ότι είναι πιο καλά στηριζόμενο στη θεωρία. Όμως, ο Cloët δεν έχει ακόμη κάνει όλους τους απαραίτητους υπολογισμούς, είπε.
Και τώρα το βάρος των πειραματικών στοιχείων υποδηλώνει ότι το Hen έχει το καλύτερο από το επιχείρημα.
Το Hen και ο Cloët δήλωσαν ότι τα αποτελέσματα των πειραμάτων τα επόμενα χρόνια θα μπορούσαν να λύσουν την ερώτηση. Η Hen ανέφερε ένα πείραμα που βρίσκεται σε εξέλιξη στο Εθνικό Εγκαταστάτη Επιταχυντών του Jefferson στη Βιρτζίνια, που θα μεταφέρει τους πυρήνες πιο κοντά, λίγο κατά ένα κομμάτι, και θα επιτρέψει στους ερευνητές να τους παρακολουθήσουν να αλλάξουν. Ο Cloët δήλωσε ότι θέλει να δει ένα "πολωμένο πείραμα EMC" που θα διασπάσει το αποτέλεσμα με βάση την περιστροφή (ένα κβαντικό γνώρισμα) των εμπλεκόμενων πρωτονίων. Θα μπορούσε να αποκαλύψει αόρατες λεπτομέρειες σχετικά με το αποτέλεσμα που θα μπορούσε να βοηθήσει υπολογισμούς, είπε.
Και οι τρεις ερευνητές τόνισαν ότι η συζήτηση είναι φιλική.
"Είναι υπέροχο, γιατί σημαίνει ότι συνεχίζουμε να σημειώνουμε πρόοδο", δήλωσε ο Miller. "Τελικά, κάτι θα είναι στο εγχειρίδιο και το παιχνίδι με μπάλα τελείωσε ... Το γεγονός ότι υπάρχουν δύο ανταγωνιστικές ιδέες σημαίνει ότι είναι συναρπαστικό και ζωντανό. Και τώρα έχουμε τελικά τα πειραματικά εργαλεία για την επίλυση αυτών των ζητημάτων".
