Ako ste se ukrcali u Magic School Bus i počeli smanjivati - manji od mrava ili amebe ili pojedine ćelije, a zatim ste se smanjivali sve dok pojedinačni atomi nisu bili veliki kao cijeli svjetovi, pa čak i njihove sastavne čestice nadvisuju se nad vama - vi biste ući u svijet koji ključa ogromnim, sukobljavajućim pritiscima.
U središtu protona, pritisak veći od onog koji se nalazi unutar neutronske zvijezde, odletio bi vas prema rubu čestice. Ali na vanjskim granicama protona jednaka i suprotna sila gurala bi vas prema središtu protona. Uz put, udarit će vas udarne sile smicanja koje daleko prelaze bilo koju osobu koja će ikada doživjeti u svom životu.
Novi rad, objavljen 22. veljače u časopisu Physical Review Letters, nudi najcjelovitiji opis konkurentskih pritisaka unutar protona, ne samo u smislu njegovih kvarkova - čestica koja protonu daju njegovu masu - već njegovih gluona, masne čestice koje vežu te kvarkove.
Ovo kipuće, kipuće kvantno stanje
Jednostavni opisi protona uključuju samo tri kvarka koju drži gomol gluona. Ali ti su opisi nepotpuni, izjavila je koautorica studije Phiala Shanahan, fizičarka s Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Proton se sastoji od gnoja gluona i zapravo gomile kvarkova", rekao je Shanahan za Live Science. "Ne samo tri. Postoje tri glavna kvarka, a zatim bilo koji broj kvark-antikvark parova koji se pojavljuju i nestaju ... i sve su to složene interakcije ovog ključajućeg, kipućeg kvantnog stanja koje stvaraju pritisak."
Shanahan i koautor William Detmold, koji je i fizičar na MIT-u, otkrili su da gluoni stvaraju približno dvostruko veći pritisak od kvarkova unutar protona, te da se taj tlak distribuira u širem području nego što je prethodno poznato. Otkrili su da protonski ukupni tlak doseže 100 deciliona (ili 1 s 35 nula nakon njega) pascala - ili oko 260 sekstilijuna (ili 26 sa 22 nula nakon njega) više od tlaka u središtu Zemlje.
Kritično, taj pritisak pokazuje u dva različita smjera.
"Postoji područje pozitivnog pritiska tako da mora postojati i regija negativnog pritiska", rekla je. "Da postoji samo područje pozitivnog pritiska, proton bi se nastavio širiti i ne bi bio stabilan."
Vrlo velik izračun
No, koliko god ti pritisci bili ogromni, naučnici ih ne mogu izmjeriti u većini okolnosti. Kako bi ispitivali unutrašnjost protona, znanstvenici ih bombardiraju još tinier-nim elektronima pri vrlo visokim energijama. U procesu mijenjaju protone. Nijedan poznati eksperiment ne može otkriti kako je to unutar protona, pri niskim energijama koje obično doživljavaju.
Znanstvenici se oslanjaju na teoriju kvantne kromodinamike (QCD) - koja opisuje kvarkove i snažne gluone koji nose snage koji ih vežu zajedno. Znanstvenici znaju kako QCD djeluje zato što eksperimenti s visokom energijom daju njegova predviđanja, rekao je Detmold. Ali pri niskim energijama moraju se pouzdati u matematiku i proračune.
"Nažalost, teško je analitički proučavati, zapisati jednadžbe s olovkom i papirom", rekao je Shanahan.
Umjesto toga, istraživači se okreću superračunalima koja umrežavaju tisuće jezgara procesora zajedno kako bi riješili složene jednadžbe.
Čak i ako dva superračunala rade zajedno, izračunavanje je trajalo otprilike godinu dana.
Shanahan i Detmold probili su proton u njegove različite dimenzije (tri za svemir, a jedna za vrijeme) da bi pojednostavili problem koji su superračunala morala riješiti.
Umjesto jednog broja, rezultirajuća karta tlaka izgledala bi kao polje strelica, svih različitih veličina i usmjerenih u različitim smjerovima.
Dakle, odgovor na pitanje: "Koliki je pritisak unutar protona?" mnogo ovisi o dijelu protona o kojem pitate.
Također ovisi o polumjeru protona. Ako su protoni vrećice gluona i kvarkova, te vrećice rastu i smanjuju se ovisno o ostalim česticama koje djeluju na njih. Dakle, rezultati Shanahan i Detmold ne svode se na jedan broj.
Ali sada su naše karte krajnosti svih tih sićušnih, vrelih svjetova u nama mnogo živopisnije.
