אם היית עולה על אוטובוס בית הספר למאגיה והתחלת להתכווץ - קטנה יותר נמלה או אמבה או תא בודד, ואז המשכת להתכווץ עד שהאטומים הבודדים היו גדולים כמו עולמות שלמים, ואפילו החלקיקים המרכיבים שלהם התנשאו מעליך - היית להיכנס לעולם המבעבע בלחצים עצומים ומנוגדים.
במרכז הפרוטון, לחץ גדול יותר מזה שנמצא בתוך כוכב נויטרונים, יעביר אותך החוצה לכיוון קצה החלקיק. אך בגבולותיו החיצוניים של הפרוטון, כוח שווה והפוך היה דוחף אותך לעבר מרכז הפרוטון. לאורך הדרך, אתה תורעף מכוחות הגזירה הנעים לצדדים העולים בהרבה על כל דבר שכל אדם אי פעם יחווה במהלך חייו.
מאמר חדש, שפורסם ב -22 בפברואר בכתב העת Physical Review Letters, מציע את התיאור המלא ביותר עד כה של הלחצים המתחרים בתוך פרוטון, לא רק מבחינת הקווארקים שלו - החלקיקים שנותנים לפרוטון את המסה שלו - אלא הגלונים שלו, החלקיקים חסרי המסה המחברים את הקווארקים זה לזה.
המצב הקוונטי המבעבע והרותח הזה
תיאורים פשוטים של פרוטונים כוללים רק שלושה קווארקים המוחזקים יחד על ידי חבורה של גלונים. אולם התיאורים הללו אינם שלמים, אמרה סופרת המחקר, פיאלה שנאהן, פיזיקאית במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).
"הפרוטון מורכב מחבורה של גלואונים ואז למעשה חבורה של קווארקים", אמר שאנאהן ל- Live Science. "לא רק שלושה. יש שלושה קווארקים עיקריים, ואז כל מספר של זוגות קווארקים-עתיקים שמופיעים ונעלמים ... וזה כל האינטראקציות המסובכות של המצב הקוונטי המבעבע והרותח הזה שמייצרים את הלחץ."
שאנאהן והסופר המשותף ויליאם דטמולד, שהוא גם פיזיקאי ב- MIT, גילו כי גלונים מייצרים לחץ כפליים מכפי הקווארקים בתוך פרוטון, וכי לחץ זה מופץ על שטח רחב יותר מכפי שהיה ידוע בעבר. הם גילו כי הלחץ הכולל של פרוטון מגיע לשיא של 100 דקיליון (או 1 עם 35 אפסים אחריו) פסקלים - או בערך 260 סקסטיליון (או 26 עם 22 אפסים אחריו) כפול הלחץ במרכז כדור הארץ.
באופן קריטי, הלחץ מצביע על שני כיוונים שונים.
"יש אזור של לחץ חיובי ולכן צריך להיות גם אזור של לחץ שלילי," אמרה. "אם היה רק אזור של לחץ חיובי, הפרוטון היה ממשיך להתרחב והוא לא יהיה יציב."
חישוב גדול מאוד
אבל לחצים עצומים כמו אלה, אין שום דרך שמדענים יכולים למדוד אותם ישירות ברוב הנסיבות. כדי לחקור את פנים הפרוטונים, מפציצים אותם מדענים באלקטרונים דקים אפילו יותר באנרגיות גבוהות מאוד. בתהליך הם משנים את הפרוטונים. אף ניסוי לא ידוע יכול לחשוף איך זה בתוך פרוטון באנרגיות הנמוכות שהם בדרך כלל חווים.
אז מדענים סומכים על תיאוריית הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD) - המתארת קווארקים ואת הגלונים החזקים הנושאים כוח הקושרים אותם זה לזה. מדענים יודעים ש- QCD פועל מכיוון שניסויים בעלי אנרגיה גבוהה ממלאים את תחזיותיו, אמר דטמולד. אבל באנרגיות נמוכות הם צריכים לסמוך במתמטיקה ובחישובים.
"למרבה הצער קשה מאוד ללמוד באופן אנליטי, לרשום משוואות באמצעות עט ונייר," אמר שנהאן.
במקום זאת, חוקרים פונים למחשבי-על הרשתים אלפי ליבות מעבד יחד כדי לפתור משוואות מורכבות.
אפילו עם שני מחשבי-על שעבדו יחד, החישובים ארכו כשנה, אמרה.
שאנאהן ודטמולד שברו את הפרוטון לממדיו השונים (שלושה לחלל, ואחד לזמן) כדי לפשט את הבעיה שעל מחשבי-העל לפתור.
במקום מספר בודד, מפת הלחץ שהתקבלה הייתה נראית כמו שדה של חצים, בגדלים שונים ומצביעה לכיוונים שונים.
אז התשובה לשאלה, "מה הלחץ בתוך פרוטון?" תלוי הרבה באיזה חלק בפרוטון אתה שואל.
זה תלוי גם ברדיוס של הפרוטון. אם פרוטונים הם שקיות של גלואונים וקווארקים, השקיות הללו צומחות ומתכווצות בהתאם לחלקיקים האחרים הפועלים עליהם. כך שהתוצאות של שנאהן ודטמולד לא מסתכמות במספר אחד.
אבל עכשיו המפות שלנו על הקצוות של כל העולמות הקטנטנים והרתוחים האלה בתוכנו הם הרבה יותר חיים.
