Εάν πήρατε το Magic School Bus και άρχισε να συρρικνώνεται - μικρότερο από ένα μυρμήγκι ή μια αμοιβάδα ή ένα μόνο κελί, και στη συνέχεια να συρρικνώνεται μέχρι τα μόνα άτομα να είναι τόσο μεγάλα όσο ολόκληροι οι κόσμοι και ακόμα και τα συστατικά τους σωματίδια σκοντάφτονταν πάνω σου - εισάγετε έναν κόσμο που γεμίζει με τεράστιες, συγκρουόμενες πιέσεις.
Στο κέντρο ενός πρωτονίου, μια πίεση μεγαλύτερη από εκείνη που βρίσκεται μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων θα σας έριχνε προς την ακμή του σωματιδίου. Αλλά στα εξωτερικά όρια του πρωτονίου, μια ισότιμη και αντίθετη δύναμη θα σπρώχνει προς το κέντρο του πρωτονίου. Κατά μήκος του δρόμου, θα είχατε τεντωθεί από τις δυνάμεις διατομής που κινούνται προς τα πλάγια και υπερβαίνουν οτιδήποτε κάθε άτομο θα έχει ποτέ εμπειρία στη ζωή του.
Ένα νέο έγγραφο, που δημοσιεύτηκε στις 22 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Physical Review Letters, προσφέρει την πληρέστερη περιγραφή των ανταγωνιστικών πιέσεων μέσα σε ένα πρωτόνιο, όχι μόνο ως προς τα κουάρκ - τα σωματίδια που δίνουν ένα πρωτόνιο στη μάζα του - τα άσχημα σωματίδια που δεσμεύουν αυτά τα κουάρκ.
Αυτή η βρογχική, βρασμένη κβαντική κατάσταση
Οι απλές περιγραφές των πρωτονίων περιλαμβάνουν μόνο τρία κουάρκ που συγκρατούνται από μια δέσμη γλουτώνων. Ωστόσο, οι περιγραφές αυτές είναι ελλιπείς, δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Phiala Shanahan, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT).
"Το πρωτόνιο αποτελείται από ένα σωρό γκλουόνια και στη συνέχεια μια δέσμη κουάρκ", δήλωσε ο Shanahan στην Live Science. "Δεν υπάρχουν μόνο τρία, υπάρχουν τρία κύρια κουάρκ και έπειτα οποιοσδήποτε αριθμός ζευγών quark-antiquark που εμφανίζονται και εξαφανίζονται ... και είναι όλες οι πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις αυτής της κβαντικής κατάστασης που αναβλύζει και βράζει που παράγει την πίεση".
Ο Shanahan και ο συν-συγγραφέας William Detmold, ο οποίος είναι επίσης φυσικός στο MIT, διαπίστωσαν ότι οι γλουτόνες παράγουν περίπου διπλάσια πίεση από τα κουάρκ μέσα σε ένα πρωτόνιο και ότι η πίεση αυτή κατανέμεται σε μια ευρύτερη περιοχή από ότι ήταν γνωστή. Διαπίστωσαν ότι η συνολική πίεση ενός πρωτονίου κορυφώνεται στα 100 εκατο ύρια (ή 1 με 35 μηδέν μετά από αυτό) πακάλια - ή περίπου 260 φύλο (ή 26 με 22 μηδέν μετά από αυτό) φορές την πίεση στο κέντρο της Γης.
Εκφραστικά, αυτή η πίεση δείχνει σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις.
"Υπάρχει μια περιοχή θετικής πίεσης, οπότε πρέπει επίσης να υπάρχει μια περιοχή αρνητικής πίεσης", ανέφερε. "Εάν υπήρχε μόνο μια περιοχή θετικής πίεσης το πρωτόνιο θα συνέχιζε να αναπτύσσεται και δεν θα ήταν σταθερό".
Ένας πολύ μεγάλος υπολογισμός
Αλλά όσο τεράστιες είναι αυτές οι πιέσεις, δεν υπάρχει τρόπος για τους επιστήμονες να τις μετρήσουν άμεσα στις περισσότερες περιπτώσεις. Για να ερευνήσουν τα εσωτερικά των πρωτονίων, οι επιστήμονες τους βομβαρδίζουν με ακόμα πιο μικρά ηλεκτρόνια σε πολύ υψηλές ενέργειες. Κατά τη διαδικασία, αλλάζουν τα πρωτόνια. Κανένα γνωστό πείραμα δεν μπορεί να αποκαλύψει τι είναι μέσα σε ένα πρωτόνιο στις χαμηλές ενέργειες που συνήθως βιώνουν.
Έτσι, οι επιστήμονες βασίζονται στη θεωρία της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD) - η οποία περιγράφει τα κουάρκ και τους ισχυρούς γλουτόνες που φέρνουν τη δύναμη που τους συνδέουν μεταξύ τους. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το QCD λειτουργεί επειδή τα πειράματα υψηλής ενέργειας επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις του, δήλωσε ο Detmold. Αλλά με χαμηλές ενέργειες, πρέπει να εμπιστεύονται τα μαθηματικά και τους υπολογισμούς.
"Δυστυχώς είναι πολύ δύσκολο να μελετήσουμε αναλυτικά, γράφοντας τις εξισώσεις με το στυλό και το χαρτί", δήλωσε ο Shanahan.
Αντ 'αυτού, οι ερευνητές στρέφονται σε υπερυπολογιστές που συνδέουν χιλιάδες επεξεργαστές-πυρήνες μαζί για να λύσουν περίπλοκες εξισώσεις.
Ακόμα και με δύο υπερυπολογιστές που συνεργάζονται, οι υπολογισμοί χρειάστηκαν περίπου ένα χρόνο, είπε.
Οι Shanahan και Detmold έσπασαν το πρωτόνιο στις διάφορες διαστάσεις του (τρεις για το διάστημα και ένα για το χρόνο) για να απλοποιήσουν το πρόβλημα που έπρεπε να επιλύσουν οι υπερυπολογιστές.
Αντί ενός μόνο αριθμού, ο προκύπτων χάρτης πίεσης θα μοιάζει με ένα πεδίο βέλων, όλων των διαφορετικών μεγεθών και με διαφορετικές κατευθύνσεις.
Έτσι, η απάντηση στο ερώτημα, "Ποια είναι η πίεση μέσα σε ένα πρωτόνιο;" εξαρτάται πολύ από το μέρος του πρωτονίου που ρωτάς.
Εξαρτάται επίσης από την ακτίνα του πρωτονίου. Εάν τα πρωτόνια είναι σάκκοι από γκλουόνια και κουάρκ, οι σάκκοι αυτοί μεγαλώνουν και συρρικνώνονται ανάλογα με τα άλλα σωματίδια που δρουν πάνω τους. Έτσι τα αποτελέσματα του Shanahan και του Detmold δεν βράζουν σε έναν μόνο αριθμό.
Αλλά τώρα οι χάρτες μας για τα άκρα όλων αυτών των μικροσκοπικών, ζεστούρων κόσμων μέσα μας είναι πολύ πιο ζωντανές.
