إذا ركبت على متن حافلة المدرسة السحرية وبدأت في الانكماش - أصغر من النملة أو الأميبا أو الخلية الواحدة ، ثم واصلت الانكماش حتى كانت ذرات واحدة كبيرة مثل العوالم بأكملها ، وحتى جسيماتها المكشوفة فوقك - ادخل إلى عالم مليء بالضغوط الهائلة والمتضاربة.
في مركز البروتون ، فإن ضغطًا أكبر من ذلك الموجود داخل نجم نيوتروني من شأنه أن يدفعك نحو حافة الجسيم. ولكن عند الحدود الخارجية للبروتون ، ستدفعك قوة متساوية ومعاكسة نحو مركز البروتون. على طول الطريق ، سوف تتأثر بقوى القص التي تتحرك بشكل جانبي والتي تتجاوز أي شيء سيختبره أي شخص في حياته.
تقدم ورقة جديدة ، نشرت في 22 فبراير في مجلة Physical Review Letters ، الوصف الأكثر اكتمالًا حتى الآن للضغوط المتنافسة داخل البروتون ، ليس فقط من حيث الكواركات - الجسيمات التي تعطي البروتون كتلته - ولكن جلوناتها ، الجسيمات عديمة الكتلة التي تربط تلك الكواركات معًا.
هذه الحالة الكمومية المغليّة
تتضمن الأوصاف البسيطة للبروتونات ثلاثة كواركات فقط مثبتة معًا بواسطة مجموعة من الجلونات. وقالت فيلة شاناهان ، المؤلفة المشاركة في الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، إن هذه الأوصاف غير مكتملة.
وقال شاناهان لـ "لايف ساينس": "يتكون البروتون من مجموعة غلوونات ثم في الحقيقة مجموعة من الكواركات". "ليس ثلاثة فقط. هناك ثلاثة كواركات رئيسية ، ومن ثم أي عدد من أزواج الكواركات العتيقة التي تظهر وتختفي ... وجميع التفاعلات المعقدة لهذه الحالة الكمومية المغلية الفوضوية هي التي تولد الضغط."
وجد شاناهان والمؤلف المشارك ويليام ديتمولد ، وهو أيضًا فيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أن الغلوونات تنتج ضِعف الضغط الذي ينتج عن الكواركات داخل البروتون ، وأن هذا الضغط يتوزع عبر منطقة أوسع مما كان معروفًا سابقًا. ووجدوا أن ضغط البروتون الكلي يبلغ ذروته عند 100 ديسيليون (أو 1 مع 35 أصفار بعده) - أو حوالي 260 سكستليون (أو 26 مع 22 أصفار بعده) مضروبًا في مركز الأرض.
بشكل حاسم ، يشير هذا الضغط في اتجاهين مختلفين.
وقالت "هناك منطقة ضغط إيجابي لذا يجب أن تكون هناك منطقة ضغط سلبي". واضاف "اذا كانت هناك منطقة ضغط ايجابي فقط فان البروتون سيستمر في التوسع ولن يكون مستقرا."
عملية حسابية كبيرة جدًا
ولكن على الرغم من ضخامة هذه الضغوط ، فلا توجد طريقة للعلماء لقياسها مباشرة في معظم الظروف. لاستقصاء الأجزاء الداخلية من البروتونات ، يقصفها العلماء بإلكترونات أكثر صغرًا في طاقات عالية جدًا. في هذه العملية ، يغيرون البروتونات. لا يمكن لأي تجربة معروفة أن تكشف ما يشبه داخل البروتون عند الطاقات المنخفضة التي يواجهونها عادة.
لذا يعتمد العلماء على نظرية الديناميكيات الكمية (QCD) - التي تصف الكواركات والغلوونات القوية التي تحمل القوة التي تربطها ببعضها البعض. وقال ديتمولد إن العلماء يعرفون أن QCD يعمل لأن التجارب عالية الطاقة تحمل توقعاتها. ولكن في الطاقات المنخفضة ، عليهم أن يثقوا في الرياضيات والحسابات.
قال شاناهان: "للأسف من الصعب جدًا الدراسة تحليليًا ، وكتابة معادلات بالقلم والورق".
وبدلاً من ذلك ، يلجأ الباحثون إلى الحواسيب الفائقة التي تربط آلاف نوى المعالج معًا لحل المعادلات المعقدة.
وقالت إنه حتى مع عمل حاسوبين فائقين يعملان معًا ، فإن الحسابات تستغرق حوالي عام.
كسر شاناهان وديتمولد البروتون في أبعاده المختلفة (ثلاثة للفضاء ، وواحد للوقت) لتبسيط المشكلة التي كان على الحواسيب العملاقة حلها.
بدلاً من رقم واحد ، ستبدو خريطة الضغط الناتجة مثل حقل من الأسهم ، جميع الأحجام المختلفة والإشارة في اتجاهات مختلفة.
إذن الجواب على السؤال "ما الضغط داخل البروتون؟" يعتمد كثيرًا على أي جزء من البروتون الذي تسأل عنه.
كما يعتمد على نصف قطر البروتون. إذا كانت البروتونات عبارة عن أكياس من الجلوونات والكواركات ، فإن هذه الأكياس تنمو وتتقلص اعتمادًا على الجسيمات الأخرى التي تعمل عليها. حتى نتائج شاناهان وديتمولد لا تتلخص في رقم واحد.
لكن الآن خرائطنا للأطراف المتطرفة لكل هذه العوالم الصغيرة المغلية داخلنا أصبحت أكثر حيوية.
