Если вы садитесь в «Магический школьный автобус» и начинаете уменьшаться - меньше, чем муравей, амеба или отдельная клетка, а затем продолжаете уменьшаться, пока отдельные атомы не станут такими же большими, как целые миры, и даже составляющие их частицы не превзойдут вас - вы бы войти в мир, кипящий с огромным, противоречивым давлением.
В центре протона давление, превышающее давление внутри нейтронной звезды, отбросит вас к краю частицы. Но на внешних границах протона равная и противоположная сила подтолкнет вас к центру протона. Попутно вы столкнетесь с движением поперечных сил сдвига, которые намного превосходят все, что любой человек когда-либо испытывает в своей жизни.
Новая статья, опубликованная 22 февраля в журнале Physical Review Letters, предлагает наиболее полное описание конкурирующих давлений внутри протона, причем не только с точки зрения его кварков - частиц, которые дают протону его массу - но и его глюонов, безмассовые частицы, которые связывают эти кварки вместе.
Это кипящее, кипящее квантовое состояние
Простое описание протонов включает в себя всего три кварка, скрепленных кучей глюонов. Но эти описания являются неполными, говорит соавтор исследования Фиала Шанахан, физик из Массачусетского технологического института (MIT).
«Протон состоит из группы глюонов, а затем фактически из группы кварков», - сказал Шанахан в интервью Live Science. «Не только три. Есть три главных кварка, а затем любое количество пар кварк-антикварк, которые появляются и исчезают… и все сложные взаимодействия этого кипящего, кипящего квантового состояния создают давление».
Шанахан и соавтор Уильям Детмольд, который также является физиком в Массачусетском технологическом институте, обнаружили, что глюоны производят примерно вдвое больше давления, чем кварки внутри протона, и что это давление распределяется по более широкой области, чем ранее известно. Они обнаружили, что общее давление протона достигает пика в 100 дециллионов (или 1 с 35 нулями после него), или примерно в 260 секстиллионов (или 26 с 22 нулями после него), умноженных на давление в центре Земли.
Важно то, что давление указывает в двух разных направлениях.
«Существует область положительного давления, поэтому также должна быть область отрицательного давления», - сказала она. «Если бы существовала только область положительного давления, протон продолжал бы расширяться, и он не был бы стабильным».
Очень большой расчет
Но как бы ни были велики эти нагрузки, ученые не могут напрямую измерить их в большинстве случаев. Чтобы исследовать внутренности протонов, ученые бомбардируют их электронами еще меньшего размера при очень высоких энергиях. В процессе они меняют протоны. Ни один известный эксперимент не может выявить, на что это похоже внутри протона при низких энергиях, которые они обычно испытывают.
Поэтому ученые полагаются на теорию квантовой хромодинамики (КХД), которая описывает кварки и сильные несущие силу глюоны, которые связывают их вместе. Ученые знают, что КХД работает, потому что эксперименты с высокой энергией подтверждают ее предсказания, сказал Детмольд. Но при низких энергиях они должны доверять математике и вычислениям.
«К сожалению, очень трудно изучать аналитически, записывая уравнения ручкой и бумагой», - сказал Шанахан.
Вместо этого исследователи обращаются к суперкомпьютерам, объединяющим тысячи ядер процессоров для решения сложных уравнений.
По ее словам, даже если два суперкомпьютера работают вместе, расчеты заняли около года.
Шанахан и Детмольд разбили протон на его различные измерения (три для пространства и один для времени), чтобы упростить задачу, которую пришлось решать суперкомпьютерам.
Вместо одного числа полученная карта давления будет выглядеть как поле стрелок, все разных размеров и указывающих в разных направлениях.
Итак, ответ на вопрос: «Какое давление внутри протона?» Многое зависит от того, о какой части протона вы спрашиваете.
Это также зависит от радиуса протона. Если протоны представляют собой мешки с глюонами и кварками, эти мешки растут и сжимаются в зависимости от других частиц, действующих на них. Таким образом, результаты Шанахана и Детмольда не сводятся к одному числу.
Но теперь наши карты крайностей всех этих крошечных, кипящих миров внутри нас стали намного более яркими.
