Ако се качите на Magic School Bus и започнете да се свивате - по-малък от мравка или амеба или от една клетка и след това продължавате да се свивате, докато единичните атоми са големи колкото цели светове и дори техните съставни частици се извисяват над вас - вие ще навлезете в свят с бълбукане с огромен, противоречив натиск.
В центъра на протона натиск, по-голям от този, намиращ се в неутронна звезда, ще ви изхвърли към ръба на частицата. Но във външните граници на протона една равна и противоположна сила ще ви тласне към центъра на протона. По пътя ще бъдете поразени от движещи се встрани срязващи сили, които далеч надвишават всичко, което всеки човек някога ще изпита през живота си.
Нов документ, публикуван на 22 февруари в списанието Physical Review Letters, предлага най-пълното описание на конкурентните налягания вътре в протона, не само по отношение на неговите кварки - частиците, които дават на протона неговата маса - но и неговите глуони, безмасовите частици, които свързват тези кварки заедно.
Това бълбукащо, кипящо квантово състояние
Простите описания на протоните включват само три кварка, държани заедно от куп глуони. Но тези описания са непълни, каза съавторът на проучването Фиала Шанахан, физик от Масачузетския технологичен институт (MIT).
"Протонът е съставен от куп глуони и след това всъщност куп кварки", каза Шанахан пред Live Science. "Не само три. Има три основни кварка и след това всякакъв брой двойки кварк-антикварк, които се появяват и изчезват ... и всичко това е сложното взаимодействие на това бълбукащо, кипящо квантово състояние, което генерира натиск."
Шанахан и съавторът Уилям Детмолд, който също е физик в MIT, откриха, че глюоните произвеждат около два пъти по-голямо налягане от кварците вътре в протона и това налягане се разпределя в по-широк район от познатото досега. Те откриха, че общото налягане на протона достига 100 децилиона (или 1 с 35 нули след него) пасажи - или около 260 секстилиона (или 26 с 22 нули след него), повече от налягането в центъра на Земята.
Критично е, че налягането сочи в две различни посоки.
"Има регион на положително налягане, така че трябва да има и регион на отрицателно налягане", каза тя. "Ако имаше само регион на положително налягане, протонът щеше да продължи да се разширява и той нямаше да е стабилен."
Много голямо изчисление
Но колкото и огромен да е натискът, няма начин учените да ги измерват директно при повечето обстоятелства. За да проучат интериора на протоните, учените ги бомбардират с още по-дребни електрони при много високи енергии. В процеса те сменят протоните. Никой известен експеримент не може да разкрие какво е вътре в протона при ниските енергии, които обикновено изпитват.
Така учените разчитат на теорията на квантовата хромодинамика (QCD) - която описва кваркове и силните преносими сили глуони, които ги свързват заедно. Учените знаят, че QCD работи, защото високоенергийните експерименти дават своите прогнози, каза Детмолд. Но при ниски енергии, те трябва да се доверят на математиката и изчисленията.
"За съжаление е много трудно да се изучава аналитично, да се записват уравнения с писалка и хартия", каза Шанахан.
Вместо това изследователите се обръщат към суперкомпютри, които обединяват хиляди процесорни ядра заедно, за да разрешат сложни уравнения.
Дори при два суперкомпютри, които работят заедно, изчисленията отнеха около година, каза тя.
Шанахан и Детмолд разбиха протона в различните му измерения (три за космоса и един за времето), за да опростят проблема, който суперкомпютрите трябваше да решат.
Вместо едно число, получената карта на налягането ще изглежда като поле със стрелки, всички различни размери и насочени в различни посоки.
Така че отговорът на въпроса: "Какво е налягането вътре в протона?" зависи много от това коя част от протона питаш.
Зависи и от радиуса на протона. Ако протоните са торби с глуони и кварки, тези торбички растат и се свиват в зависимост от другите частици, действащи върху тях. Така че резултатите на Шанахан и Детмолд не се свеждат до едно число.
Но сега нашите карти на крайностите на всички тези малки, кипящи светове вътре в нас са много по-живи.
