Không ai thực sự biết những gì xảy ra bên trong một nguyên tử. Nhưng hai nhóm các nhà khoa học cạnh tranh nghĩ rằng họ đã tìm ra nó. Và cả hai đang chạy đua để chứng minh rằng tầm nhìn của chính họ là chính xác.
Đây là những gì chúng ta biết chắc chắn: Các electron xoay quanh "quỹ đạo" trong lớp vỏ ngoài của nguyên tử. Sau đó, có rất nhiều không gian trống. Và sau đó, ngay tại trung tâm của không gian đó, có một hạt nhân nhỏ - một nút dày đặc của các proton và neutron tạo cho nguyên tử phần lớn khối lượng của nó. Những proton và neutron đó tập hợp lại với nhau, bị ràng buộc bởi thứ gọi là lực mạnh. Và số lượng các proton và neutron đó xác định xem nguyên tử là sắt hay oxy hay xenon, và nó có phóng xạ hay ổn định hay không.
Tuy nhiên, không ai biết những proton và neutron đó (cùng được gọi là nucleon) hoạt động như thế nào bên trong một nguyên tử. Bên ngoài một nguyên tử, proton và neutron có kích thước và hình dạng xác định. Mỗi trong số chúng được tạo thành từ ba hạt nhỏ hơn gọi là quark và sự tương tác giữa các quark đó rất mãnh liệt đến nỗi không có lực bên ngoài nào có thể làm biến dạng chúng, thậm chí không phải là lực mạnh giữa các hạt trong hạt nhân. Nhưng trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã biết rằng lý thuyết này theo một cách nào đó sai. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, bên trong một hạt nhân, các proton và neutron có vẻ lớn hơn nhiều so với mức cần thiết. Các nhà vật lý đã phát triển hai lý thuyết cạnh tranh cố gắng giải thích sự không phù hợp kỳ lạ đó, và những người đề xuất mỗi cái khá chắc chắn cái kia là không chính xác. Cả hai trại đều đồng ý, tuy nhiên, bất kể câu trả lời đúng là gì, nó phải đến từ một lĩnh vực vượt ra ngoài chính họ.
Từ ít nhất là những năm 1940, các nhà vật lý đã biết rằng các hạt nhân di chuyển theo quỹ đạo nhỏ hẹp trong hạt nhân, Gerald Miller, nhà vật lý hạt nhân tại Đại học Washington, nói với Live Science. Các nucleon, bị giới hạn trong các chuyển động của chúng, có rất ít năng lượng. Họ không tung lên nhiều, bị kìm hãm bởi lực mạnh.
Vào năm 1983, các nhà vật lý thuộc Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu (Cern) đã nhận thấy một điều kỳ lạ: Các chùm electron bật ra khỏi sắt theo cách rất khác so với cách chúng bật ra khỏi các proton tự do, Miller nói. Đó là bất ngờ; nếu các proton bên trong hydro có cùng kích thước với các proton bên trong sắt, thì các electron sẽ bị bật ra theo cách tương tự.
Lúc đầu, các nhà nghiên cứu không biết họ đang nhìn gì.
Nhưng theo thời gian, các nhà khoa học đã tin rằng đó là vấn đề kích thước. Vì một số lý do, các proton và neutron bên trong các hạt nhân nặng hoạt động như thể chúng lớn hơn nhiều so với khi chúng ở bên ngoài hạt nhân. Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này là hiệu ứng EMC, sau sự hợp tác Muon châu Âu - nhóm vô tình phát hiện ra nó. Nó vi phạm các lý thuyết hiện có về vật lý hạt nhân.
Hoặc Hen, một nhà vật lý hạt nhân tại MIT, có một ý tưởng có khả năng giải thích những gì đang diễn ra.
Trong khi các quark, các hạt hạ nguyên tử tạo thành các hạt nhân, tương tác mạnh mẽ trong một proton hoặc neutron nhất định, các quark trong các proton và neutron khác nhau không thể tương tác với nhau, ông nói. Lực mạnh bên trong một nucleon mạnh đến nỗi làm lu mờ lực mạnh giữ các nucleon này với các nucleon khác.
"Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trong phòng nói chuyện với hai người bạn của mình khi cửa sổ đóng lại", Hen nói.
Bộ ba trong phòng là ba hạt quark bên trong neutron hoặc proton.
"Một cơn gió nhẹ thổi ra bên ngoài," anh nói.
Làn gió nhẹ đó là lực giữ proton hoặc neutron tới các hạt nhân gần đó "bên ngoài" cửa sổ. Ngay cả khi một chút lẻn qua cửa sổ đóng kín, Hen nói, nó sẽ hầu như không ảnh hưởng đến bạn.
Và miễn là các hạt nhân ở trong quỹ đạo của chúng, đó là trường hợp. Tuy nhiên, ông nói, các thí nghiệm gần đây đã chỉ ra rằng tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 20% số hạt nhân trong hạt nhân thực tế nằm ngoài quỹ đạo của chúng. Thay vào đó, chúng được ghép nối với các hạt nhân khác, tương tác trong "tương quan phạm vi ngắn". Trong những trường hợp đó, sự tương tác giữa các hạt nhân có năng lượng cao hơn nhiều so với thông thường, ông nói. Đó là bởi vì các quark chọc qua các bức tường của các hạt nhân riêng lẻ của chúng và bắt đầu tương tác trực tiếp, và những tương tác quark-quark đó mạnh hơn nhiều so với tương tác nucleon-nucleon.
Những tương tác này phá vỡ các bức tường ngăn cách các quark bên trong các proton hoặc neutron riêng lẻ, Hen nói. Các quark tạo thành một proton và các quark tạo thành một proton khác bắt đầu chiếm cùng một không gian. Điều này làm cho các proton (hoặc neutron, như trường hợp có thể) kéo dài và mờ đi, Hen nói. Chúng phát triển rất nhiều, mặc dù trong khoảng thời gian rất ngắn. Điều đó làm lệch kích thước trung bình của toàn bộ đoàn hệ trong hạt nhân - tạo ra hiệu ứng EMC.
Hầu hết các nhà vật lý hiện nay chấp nhận cách giải thích này về hiệu ứng EMC, Hen nói. Và Miller, người đã làm việc với Hen trong một số nghiên cứu chính, đã đồng ý.
Nhưng không phải ai cũng nghĩ rằng nhóm của Hen có vấn đề. Ian Cloët, một nhà vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois, cho biết ông nghĩ rằng công trình của Hen đưa ra kết luận rằng dữ liệu không hỗ trợ đầy đủ.
"Tôi nghĩ hiệu ứng EMC vẫn chưa được giải quyết", Cloët nói với Live Science. Đó là bởi vì mô hình cơ bản của vật lý hạt nhân đã chiếm rất nhiều mô hình ghép nối ngắn mà Hen mô tả. Tuy nhiên, "nếu bạn sử dụng mô hình đó để thử và xem hiệu ứng EMC, bạn sẽ không mô tả hiệu ứng EMC. Không có lời giải thích thành công nào về hiệu ứng EMC sử dụng khung đó. Vì vậy, theo tôi, vẫn còn một bí ẩn."
Hen và các cộng tác viên của ông đang thực hiện công việc thử nghiệm "dũng cảm" và "khoa học rất tốt", ông nói. Nhưng nó không giải quyết được hoàn toàn vấn đề của hạt nhân nguyên tử.
"Điều rõ ràng là mô hình vật lý hạt nhân truyền thống có thể giải thích hiệu ứng EMC này", ông nói. "Bây giờ chúng tôi nghĩ rằng lời giải thích phải đến từ chính QCD."
QCD là viết tắt của sắc ký lượng tử - hệ thống các quy tắc chi phối hành vi của các quark. Chuyển từ vật lý hạt nhân sang QCD giống như nhìn vào cùng một bức ảnh hai lần: một lần trên điện thoại nắp gập thế hệ đầu tiên - đó là vật lý hạt nhân - và một lần nữa trên TV có độ phân giải cao - đó là phương pháp sắc ký lượng tử. TV độ phân giải cao cung cấp nhiều chi tiết hơn, nhưng nó phức tạp hơn nhiều để xây dựng.
Vấn đề là các phương trình QCD hoàn chỉnh mô tả tất cả các quark trong một hạt nhân là quá khó để giải quyết, Cloët và Hen đều nói. Cloët ước tính, các siêu máy tính hiện đại cách khoảng 100 năm là đủ nhanh để thực hiện nhiệm vụ. Và ngay cả khi các siêu máy tính đã đủ nhanh ngày hôm nay, các phương trình vẫn chưa tiến đến mức bạn có thể cắm chúng vào máy tính, ông nói.
Tuy nhiên, ông nói, có thể làm việc với QCD để trả lời một số câu hỏi. Và ngay bây giờ, ông nói, những câu trả lời đó đưa ra một lời giải thích khác cho hiệu ứng EMC: Lý thuyết trường trung bình hạt nhân.
Ông không đồng ý rằng 20% hạt nhân trong hạt nhân bị ràng buộc trong các mối tương quan tầm ngắn. Các thí nghiệm không chứng minh điều đó, ông nói. Và có những vấn đề lý thuyết với ý tưởng.
Điều đó cho thấy chúng ta cần một mô hình khác, ông nói.
"Bức tranh mà tôi có là, chúng ta biết rằng bên trong một hạt nhân là những lực hạt nhân rất mạnh này", Cloët nói. Đây là "một chút giống như trường điện từ, ngoại trừ chúng là trường lực mạnh."
Các trường hoạt động ở khoảng cách nhỏ đến mức chúng có cường độ không đáng kể bên ngoài hạt nhân, nhưng chúng có sức mạnh bên trong nó.
Trong mô hình của Cloët, các trường lực này, mà ông gọi là "trường trung bình" (đối với sức mạnh kết hợp mà chúng mang theo) thực sự làm biến dạng cấu trúc bên trong của các proton, neutron và pion (một loại hạt mang lực mạnh).
"Giống như nếu bạn lấy một nguyên tử và bạn đặt nó bên trong một từ trường mạnh, bạn sẽ thay đổi cấu trúc bên trong của nguyên tử đó", Cloët nói.
Nói cách khác, các nhà lý thuyết trường trung bình cho rằng căn phòng kín mà Hen mô tả có lỗ trên tường và gió thổi qua để đánh bật các quark xung quanh, kéo căng chúng ra.
Cloët thừa nhận rằng các mối tương quan trong phạm vi ngắn có thể giải thích phần nào hiệu ứng EMC và Hen cho biết các lĩnh vực có nghĩa cũng có vai trò.
"Câu hỏi là, chiếm ưu thế," Cloët nói.
Miller, người cũng đã làm việc nhiều với Cloët, nói rằng lĩnh vực trung bình có lợi thế là có căn cứ hơn về mặt lý thuyết. Nhưng Cloët chưa thực hiện tất cả các tính toán cần thiết, ông nói.
Và ngay bây giờ trọng lượng của bằng chứng thực nghiệm cho thấy Hen có lý lẽ tốt hơn.
Hen và Cloët đều cho biết kết quả thí nghiệm trong vài năm tới có thể giải quyết câu hỏi. Hen đã trích dẫn một thí nghiệm đang được tiến hành tại Cơ sở máy gia tốc quốc gia Jefferson ở Virginia, nơi sẽ di chuyển các hạt nhân lại gần nhau hơn, từng chút một và cho phép các nhà nghiên cứu xem chúng thay đổi. Cloët cho biết ông muốn thấy một "thí nghiệm EMC phân cực" sẽ phá vỡ hiệu ứng dựa trên spin (một đặc điểm lượng tử) của các proton liên quan. Nó có thể tiết lộ chi tiết chưa từng thấy về hiệu ứng có thể hỗ trợ tính toán, ông nói.
Cả ba nhà nghiên cứu đều nhấn mạnh rằng cuộc tranh luận là thân thiện.
"Thật tuyệt vời, vì điều đó có nghĩa là chúng tôi vẫn đang tiến bộ," Miller nói. "Cuối cùng, một cái gì đó sẽ xuất hiện trong sách giáo khoa và trò chơi bóng đã vượt qua sự thật. Có hai ý tưởng cạnh tranh có nghĩa là nó thú vị và sôi động. Và cuối cùng chúng ta có các công cụ thử nghiệm để giải quyết những vấn đề này."
