Če bi se vkrcali na Magic School Bus in se začeli krčiti - manjši od mravlja ali amebe ali ene same celice in se nato še naprej krčili, dokler posamezni atomi niso bili veliki kot cel svet, in celo njihovi sestavni delci so se dvigali nad vami - vstopijo v svetovno žuborenje z ogromnimi, nasprotujočimi si pritiski.
V središču protona bi vas tlak, ki je večji od tistega v nevtronski zvezdi, zvabil proti robu delca. Toda na zunanjih mejah protona bi vas enakovredna in nasprotna sila potisnila proti središču protona. Po poti bi vas motile stranske premične strižne sile, ki daleč presegajo vse, kar bo kdo kdaj doživel v svojem življenju.
Nov prispevek, objavljen 22. februarja v reviji Physical Review Letters, ponuja najbolj popoln opis konkurenčnih pritiskov znotraj protona, ne le glede njegovih kvarkov - delcev, ki protonu dajejo njegovo maso - ampak njegovih gluonov, brezmasni delci, ki vežejo te kvarke skupaj.
To žuborenje, vrenje kvantnega stanja
Enostavni opisi protonov vključujejo samo tri kvarke, ki jih drži kup gluonov. Toda ti opisi so nepopolni, je povedala soavtorica študije Phiala Shanahan, fizik na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Proton sestavlja kup gluonov in nato pravzaprav kup kvarkov," je Shanahan povedal Live Science. "Ne le tri. Obstajajo trije glavni kvarki in nato poljubno število parov kvark-antikvark, ki se pojavijo in izginejo ... in vsi zapleteni medsebojni vplivi tega mehurčnega, vrelega kvantnega stanja ustvarjajo pritisk."
Shanahan in soavtor William Detmold, ki je tudi fizik na MIT, sta ugotovila, da gluoni proizvajajo približno dvakrat večji pritisk kot kvarki znotraj protona in da se ta tlak porazdeli po širšem območju, kot je bilo znano prej. Ugotovili so, da protonov skupni pritisk doseže 100 decilionov (ali 1 s 35 ničlami za njim) paskalov - ali približno 260 sekstilijonov (ali 26 z 22 ničlami po njem) več kot tlak v središču Zemlje.
Kritično je, da pritisk kaže na dve različni smeri.
"Obstaja območje pozitivnega pritiska, zato mora obstajati tudi območje negativnega pritiska," je dejala. "Če bi bilo le območje pozitivnega pritiska, bi se proton še naprej širil in ne bi bil stabilen."
Zelo velik izračun
A kolikor je teh pritiskov ogromno, jih znanstveniki v večini okoliščin ne morejo neposredno izmeriti. Znanstveniki so za preizkušanje notranjosti protonov bombardirali z enakomernejšimi elektroni pri zelo visoki energiji. V procesu zamenjajo protone. Noben znan eksperiment ne more razkriti, kako je znotraj protona pri nizkih energijah, ki jih običajno doživljajo.
Tako se znanstveniki zanašajo na teorijo kvantne kromodinamike (QCD) - ki opisuje kvarke in močne gluone, ki jih vežejo skupaj. Znanstveniki vedo, da QCD deluje, ker visokoenergetski poskusi dajejo njegove napovedi, je dejal Detmold. Toda pri nizki energiji morajo zaupati matematiki in izračunom.
"Na žalost je analitično zelo težko študirati, zapisovati enačbe s peresom in papirjem," je dejal Shanahan.
Namesto tega se raziskovalci obrnejo na superračunalnike, ki povezujejo na tisoče procesorskih jeder skupaj, da rešijo zapletene enačbe.
Tudi pri dveh superračunalnikih, ki delata skupaj, je izračun trajal približno eno leto, je dejala.
Shanahan in Detmold sta proton razbila v različne dimenzije (tri za vesolje in enega za čas), da bi poenostavili težavo, ki so jo morali superračunalniki rešiti.
Namesto ene številke bi izhajajoča tlačna karta izgledala kot polje puščic, vseh različnih velikosti in usmerjenih v različne smeri.
Torej odgovor na vprašanje: "Kakšen je pritisk znotraj protona?" je veliko odvisno od tega, kateri del protona sprašujete.
Odvisno je tudi od polmera protona. Če so protoni vrečke z gluoni in kvarki, te vrečke rastejo in se krčijo, odvisno od ostalih delcev, ki delujejo na njih. Rezultati Shanahana in Detmolda se ne sesujejo na eno samo številko.
Toda zdaj so naši zemljevidi skrajnosti vseh teh drobnih, vrelih svetov znotraj nas veliko bolj živahni.
