Pokud jste se dostali na palubu Magic School Bus a začali se zmenšovat - menší než mravenec nebo améba nebo jedna buňka, a pak se zmenšovali, dokud jednotlivé atomy nebyly tak velké jako celé světy a dokonce i nad nimi se tyčil jejich částice - vstoupit do světa bublajícího s obrovskými protichůdnými tlaky.
Uprostřed protonu by vás větší tlak, než jaký se nachází uvnitř neutronové hvězdy, vyhodil k okraji částice. Ale na vnějších hranicích protonu by vás stejná a opačná síla tlačila směrem ke středu protonu. Cestou byste byli zasaženi bočně se pohybujícími střižnými silami, které daleko přesahují vše, co kdokoli během svého života zažije.
Nový článek, publikovaný 22. února v časopise Physical Review Letters, nabízí nejkompletnější popis konkurenčních tlaků uvnitř protonu, nejen co se týče jeho kvarků - částic, které dávají protonu jeho hmotnost -, ale jeho gluonů, bezhmotné částice, které spojují tyto kvarky dohromady.
Tento probublávající, vroucí kvantový stav
Jednoduché popisy protonů zahrnují jen tři kvarky držené pohromadě svazkem gluonů. Tyto popisy jsou však neúplné, uvedla spoluautorka studie Phiala Shanahan, fyzik z Massachusetts Institute of Technology (MIT).
„Proton je tvořen svazkem gluonů a pak vlastně svazkem kvarků,“ řekl Shanahan Live Science. „Nejen tři. Existují tři hlavní kvarky a pak jakýkoli počet kvark-antiquarkových párů, které se objevují a mizí… a to jsou všechny komplikované interakce tohoto bublajícího, vroucího kvantového stavu, který vytváří tlak.“
Shanahan a spoluautor William Detmold, který je také fyzikem na MIT, zjistil, že gluony produkují asi dvakrát tolik tlaku než kvarky uvnitř protonu a že tento tlak je distribuován v širší oblasti, než bylo dříve známo. Zjistili, že celkový protonový vrchol dosahuje maxima na 100 decilionech (nebo 1 s 35 nulami za ním) pascaly - nebo asi 260 sextilionů (nebo 26 s nulami po něm) krát tlaku ve středu Země.
Kriticky se tento tlak ukazuje dvěma různými směry.
„Existuje oblast pozitivního tlaku, takže také musí existovat oblast negativního tlaku,“ řekla. "Kdyby existovala pouze oblast pozitivního tlaku, proton by se i nadále rozšiřoval a nebyl by stabilní."
Velmi velký výpočet
Ale jak velké jsou tyto tlaky, není možné, aby je vědci přímo měřili za většiny okolností. Vědci bombardují vnitřky protonů bombardováním elektronů při velmi vysokých energiích. Přitom mění protony. Žádný známý experiment nemůže odhalit, jaké to je uvnitř protonu při nízkých energiích, které obvykle zažívají.
Vědci se tedy spoléhají na teorii kvantové chromodynamiky (QCD) - která popisuje kvarky a silné gluony nesoucí sílu, které je spojují. Vědci vědí, že QCD funguje, protože experimenty s vysokou energií potvrzují jeho předpovědi, řekl Detmold. Ale při nízkých energiích musí důvěřovat matematice a výpočtům.
„Bohužel je velmi obtížné analyticky studovat, psát rovnice perem a papírem,“ řekl Shanahan.
Místo toho se vědci obracejí na superpočítače, které propojují tisíce jader procesorů, aby vyřešily složité rovnice.
I když dva superpočítače spolupracovaly, výpočty trvalo asi rok, řekla.
Shanahan a Detmold rozbili proton do jeho různých dimenzí (tři pro prostor a jeden pro čas), aby se zjednodušil problém, který museli superpočítače vyřešit.
Namísto jediného čísla by výsledná tlaková mapa vypadala jako pole šípů, všech různých velikostí a směřovala různými směry.
Odpověď na otázku: „Jaký je tlak uvnitř protonu?“ hodně záleží na tom, na jakou část protonu se ptáte.
Závisí také na poloměru protonu. Pokud jsou protony vaky gluonů a kvarků, pak tyto vaky rostou a zmenšují se v závislosti na ostatních částicích, které na ně působí. Výsledky Shanahana a Detmolda se tedy nezměkčují na jediné číslo.
Ale nyní jsou naše mapy extrémů všech těchto malých, vrících světů uvnitř nás mnohem živější.
