Ak ste sa dostali na palubu Magic School Bus a začali sa zmenšovať - menšie ako mravec alebo améba alebo jedna bunka, a potom sa zmenšovali, až kým jednotlivé atómy neboli také veľké ako celé svety, a dokonca aj nad nimi sa nad vami rozprestierali ich častice - vstúpiť do sveta bublajúceho s obrovskými protichodnými tlakmi.
V strede protónu by vás väčší tlak, ako je tlak nachádzajúci sa v neutrónovej hviezde, vyhodil k okraju častice. Ale na vonkajších hraniciach protónu by vás rovnaká a opačná sila tlačila smerom k stredu protónu. Cestou by ste boli zarazení bočnými pohyblivými strihovými silami, ktoré ďaleko presahujú čokoľvek, čo kedy niekto zažije počas svojho života.
Nový príspevok, publikovaný 22. februára v časopise Physical Review Letters, ponúka najkompletnejší opis konkurenčných tlakov vo vnútri protónu, nielen z hľadiska jeho kvarkov - častíc, ktoré dávajú protónu jeho hmotnosť -, ale jeho gluónov, bezhmotné častice, ktoré spájajú tieto kvarky spolu.
Tento prebublávajúci, vriaci kvantový stav
Jednoduché opisy protónov zahŕňajú iba tri kvarky držané pohromade zväzkom gluónov. Tieto opisy sú však neúplné, uviedla spoluautorka štúdie Phiala Shanahan, fyzik z Massachusetts Institute of Technology (MIT).
„Protón je tvorený partiou gluónov a potom vlastne partiou kvarkov,“ povedal Shanahan pre Live Science. „Nie iba tri. Existujú tri hlavné kvarky a potom akýkoľvek počet párov kvark-antikvark, ktoré sa objavujú a miznú ... a tlak vyvolávajú všetky komplikované interakcie tohto bublajúceho, vriaceho kvantového stavu.“
Shanahan a spoluautor William Detmold, ktorý je tiež fyzikom na MIT, zistil, že gluóny produkujú asi dvakrát toľko tlaku ako kvarky vo vnútri protónu a že tento tlak je distribuovaný v širšej oblasti, ako bolo predtým známe. Zistili, že celkový protónový vrchol dosahuje vrchol v pascaloch 100 Decillion (alebo 1 s 35 nulami po ňom) - alebo asi 260 sextillion (alebo 26 s nulami po ňom) krát tlak v strede Zeme.
Kriticky to ukazuje na dva rôzne smery.
„Existuje oblasť pozitívneho tlaku, takže musí existovať aj oblasť negatívneho tlaku,“ uviedla. „Keby existovala iba oblasť pozitívneho tlaku, protón by sa naďalej rozširoval a nebol by stabilný.“
Veľmi veľký výpočet
Ale také veľké, aké sú tieto tlaky, nie je možné, aby ich vedci vo väčšine prípadov priamo merali. Vedci bombardujú vnútorne protóny a bombardujú ich elektrónmi s ešte väčšou energiou. Pritom menia protóny. Žiadny známy experiment nedokáže odhaliť, aké to je vnútri protónu pri nízkych energiách, ktoré obvykle zažívajú.
Vedci sa teda spoliehajú na teóriu kvantovej chromodynamiky (QCD) - ktorá opisuje kvarky a silné sily prenášajúce gluóny, ktoré ich spájajú. Vedci vedia, že QCD funguje, pretože experimenty s vysokou energiou potvrdzujú jeho predpovede, uviedol Detmold. Ale pri nízkej energii musia dôverovať matematike a výpočtom.
„Bohužiaľ je veľmi ťažké analyticky študovať, písať rovnice perom a papierom,“ povedal Shanahan.
Namiesto toho sa vedci obracajú na superpočítače, ktoré zosieťujú tisíce jadier procesorov a riešia zložité rovnice.
Aj keď spolu pracujú dvaja superpočítače, výpočty trvali asi rok, uviedla.
Shanahan a Detmold rozdelili protón do rôznych rozmerov (tri pre priestor a jeden pre čas), aby sa zjednodušil problém, ktorý museli superpočítače vyriešiť.
Namiesto jediného čísla by výsledná tlaková mapa vyzerala ako pole šípok, všetkých rôznych veľkostí a ukazovala rôznymi smermi.
Odpoveď na otázku: „Aký je tlak vnútri protónu?“ veľa záleží na tom, na ktorú časť protónu sa pýtate.
Závisí to tiež od polomeru protónu. Ak sú protóny vakmi s gluónmi a kvarkmi, tieto vaky rastú a zmenšujú sa v závislosti od ostatných častíc, ktoré na ne pôsobia. Výsledky Shanahana a Detmolda sa teda nezarážajú na jediné číslo.
Ale teraz sú naše mapy extrémov všetkých týchto malých, vriacich svetov v nás oveľa živšie.
