Никто на самом деле не знает, что происходит внутри атома. Но две конкурирующие группы ученых думают, что они поняли это. И оба стремятся доказать, что их собственное видение правильное.
Вот что мы знаем наверняка: Электроны проникают вокруг «орбиталей» во внешней оболочке атома. Тогда есть много пустого пространства. И затем, прямо в центре этого пространства, есть крошечное ядро - плотный узел протонов и нейтронов, которые дают атому большую часть его массы. Эти протоны и нейтроны сгруппированы вместе, связанные так называемой сильной силой. И число этих протонов и нейтронов определяет, является ли атом железом, кислородом или ксеноном, и является ли он радиоактивным или стабильным.
Тем не менее, никто не знает, как эти протоны и нейтроны (вместе известные как нуклоны) ведут себя внутри атома. Вне атома протоны и нейтроны имеют определенные размеры и формы. Каждая из них состоит из трех более мелких частиц, называемых кварками, и взаимодействия между этими кварками настолько интенсивны, что никакая внешняя сила не может их деформировать, даже мощные силы между частицами в ядре. Но на протяжении десятилетий исследователи знали, что теория в некотором роде неверна. Эксперименты показали, что внутри ядра протоны и нейтроны кажутся гораздо большими, чем они должны быть. Физики разработали две конкурирующие теории, которые пытаются объяснить это странное несоответствие, и сторонники каждой из них совершенно уверены, что другая неверна. Однако оба лагеря согласны с тем, что каков бы ни был правильный ответ, он должен исходить из области, выходящей за пределы их собственных.
По крайней мере, с 1940-х годов физики знали, что нуклоны движутся по узким маленьким орбиталам внутри ядра, сообщил «Живой науке» Джеральд Миллер, физик-ядерщик из Вашингтонского университета. Нуклоны, ограниченные в своих движениях, имеют очень мало энергии. Они не подпрыгивают, сдерживаются сильной силой.
В 1983 году физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) заметили нечто странное: пучки электронов отскакивали от железа таким образом, который сильно отличался от того, как они отскакивали от свободных протонов, сказал Миллер. Это было неожиданно; если бы протоны внутри водорода были того же размера, что и протоны внутри железа, электроны должны были отскочить почти таким же образом.
Сначала исследователи не знали, на что они смотрят.
Но со временем ученые пришли к выводу, что это проблема размера. По некоторым причинам протоны и нейтроны внутри тяжелых ядер действуют так, как будто они намного больше, чем когда они находятся вне ядер. Исследователи называют это явление эффектом ЭМС после европейского сотрудничества мюонов - группы, которая случайно обнаружила его. Это нарушает существующие теории ядерной физики.
Или Хен, физик-ядерщик из Массачусетского технологического института, имеет идею, которая потенциально может объяснить, что происходит.
По его словам, в то время как кварки, субатомные частицы, которые составляют нуклоны, сильно взаимодействуют внутри данного протона или нейтрона, кварки в разных протонах и нейтронах не могут сильно взаимодействовать друг с другом. Сильная сила внутри нуклона настолько сильна, что затмевает сильную силу, удерживающую нуклоны в других нуклонах.
«Представь, что ты сидишь в своей комнате и разговариваешь с двумя твоими друзьями с закрытыми окнами», - сказала Хен.
Трио в комнате - это три кварка внутри нейтрона или протона.
«Снаружи дует легкий ветерок», - сказал он.
Этот легкий ветерок - это сила, удерживающая протон или нейтрон в соседних нуклонах, которые находятся «за пределами» окна. Хен сказала, что даже если немного пробраться через закрытое окно, это вряд ли повлияет на тебя.
И пока нуклоны остаются на своих орбиталях, это так. Однако, по его словам, недавние эксперименты показали, что в любой момент времени около 20% нуклонов в ядре фактически находятся за пределами своих орбиталей. Вместо этого они в паре с другими нуклонами, взаимодействуя в «корреляциях ближнего действия». При таких обстоятельствах взаимодействия между нуклонами имеют гораздо более высокую энергию, чем обычно, сказал он. Это потому, что кварки протыкают через стенки своих отдельных нуклонов и начинают напрямую взаимодействовать, и эти взаимодействия между кварками и кварками намного мощнее, чем нуклон-нуклонные взаимодействия.
Эти взаимодействия разрушают стены, разделяющие кварки внутри отдельных протонов или нейтронов, сказал Хен. Кварки, составляющие один протон, и кварки, составляющие другой протон, начинают занимать одно и то же пространство. Это заставляет протоны (или нейтроны, в зависимости от обстоятельств) растягиваться и размываться, сказал Хен. Они сильно растут, хотя и в течение очень коротких периодов времени. Это искажает средний размер всей когорты в ядре, создавая эффект ЭМС.
По словам Хена, большинство физиков в настоящее время принимают эту интерпретацию эффекта ЭМС. И Миллер, который работал с Хен в некоторых ключевых исследованиях, согласился.
Но не все думают, что в группе Хена проблема решена. Ян Клот, физик-ядерщик в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, сказал, что, по его мнению, работа Хена делает выводы, которые данные не полностью подтверждают.
«Я думаю, что эффект электромагнитной совместимости все еще не разрешен», - сказал Клёт. Это потому, что базовая модель ядерной физики уже учитывает множество пар ближнего действия, описанных Хен. Тем не менее, «если вы воспользуетесь этой моделью, чтобы попытаться взглянуть на эффект EMC, вы не будете описывать эффект EMC. Нет успешного объяснения эффекта EMC с использованием этой платформы. Так что, на мой взгляд, все еще остается загадкой».
Хен и его сотрудники выполняют экспериментальную работу, которая является «доблестной» и «очень хорошей наукой», сказал он. Но это не полностью решает проблему атомного ядра.
«Ясно, что традиционная модель ядерной физики… не может объяснить этот эффект электромагнитной совместимости», - сказал он. «Теперь мы думаем, что объяснение должно исходить от самой КХД».
КХД обозначает квантовую хромодинамику - систему правил, управляющих поведением кварков. Переход от ядерной физики к КХД немного напоминает просмотр одной и той же картинки дважды: один раз на флип-телефоне первого поколения - это ядерная физика, а затем снова на телевизоре с высоким разрешением - это квантовая хромодинамика. Телевизор с высоким разрешением предлагает гораздо больше деталей, но его сложнее построить.
Проблема в том, что полные уравнения КХД, описывающие все кварки в ядре, слишком сложны для решения, сказали Клёт и Хен. По оценкам Клота, современным суперкомпьютерам около 100 лет недостаточно для того, чтобы справиться с этой задачей. И даже если бы суперкомпьютеры были достаточно быстрыми сегодня, уравнения не достигли такого уровня, когда вы могли бы подключить их к компьютеру, сказал он.
Тем не менее, по его словам, с QCD можно работать, чтобы ответить на некоторые вопросы. И прямо сейчас, по его словам, эти ответы предлагают другое объяснение эффекта электромагнитной совместимости: теория ядерного среднего поля.
Он не согласен с тем, что 20% нуклонов в ядре связаны в ближних корреляциях. Эксперименты просто не доказывают этого, сказал он. И есть теоретические проблемы с идеей.
Это говорит о том, что нам нужна другая модель, сказал он.
«У меня есть картина, мы знаем, что внутри ядра находятся эти очень сильные ядерные силы», - сказал Клоэт. Они «немного похожи на электромагнитные поля, кроме сильных силовых полей».
Поля работают на таких крошечных расстояниях, что они незначительны вне ядра, но они мощные внутри него.
В модели Клота эти силовые поля, которые он называет «средними полями» (для объединенной силы, которую они несут), фактически деформируют внутреннюю структуру протонов, нейтронов и пионов (тип сильной несущей силу частицы).
«Точно так же, как если вы возьмете атом и поместите его в сильное магнитное поле, вы измените внутреннюю структуру этого атома», - сказал Клоэт.
Другими словами, теоретики среднего поля считают, что в запечатанной комнате, описанной Хеном, в стенах есть отверстия, и дует ветер, чтобы сбить кварков вокруг, растягивая их.
Клёт признал, что возможные корреляции на малых расстояниях, вероятно, объясняют некоторую часть эффекта ЭМС, и Хен сказал, что средние поля, вероятно, тоже играют роль.
«Вопрос в том, кто доминирует», - сказал Клоэт.
Миллер, который также много работал с Клётом, сказал, что среднее поле имеет преимущество в том, что оно более глубоко обосновано в теории. Но Cloët еще не сделал все необходимые вычисления, сказал он.
И прямо сейчас масса экспериментальных доказательств говорит о том, что у Хен есть лучший аргумент.
Хен и Клоет оба сказали, что результаты экспериментов в ближайшие несколько лет могут решить вопрос. Хен процитировал эксперимент, проводимый в Национальном ускорительном центре им. Джефферсона в Вирджинии, который шаг за шагом будет сближать нуклоны и позволять исследователям наблюдать за их изменениями. Клоэ сказал, что хочет увидеть «эксперимент с поляризованной ЭМС», который разрушит эффект, основанный на спине (квантовой характеристике) вовлеченных протонов. Это может раскрыть невидимые детали эффекта, который мог бы помочь расчетам, сказал он.
Все три исследователя подчеркнули, что дискуссия дружеская.
«Это здорово, потому что это означает, что мы все еще делаем успехи», - сказал Миллер. «В конце концов, что-то будет в учебнике, и игра с мячом окончена… Тот факт, что есть две конкурирующие идеи, означает, что это захватывающе и ярко. И теперь, наконец, у нас есть экспериментальные инструменты для решения этих проблем».
