Nếu bạn có trên chiếc xe buýt trường học ma thuật và bắt đầu co lại - nhỏ hơn một con kiến hoặc một con amip hoặc một tế bào, và sau đó tiếp tục co lại cho đến khi các nguyên tử đơn lẻ lớn như cả thế giới, và thậm chí các hạt cấu thành của chúng đứng trên bạn - bạn bước vào một thế giới sôi động với những áp lực to lớn, mâu thuẫn.
Ở trung tâm của một proton, một áp suất lớn hơn áp suất được tìm thấy bên trong một ngôi sao neutron sẽ đẩy bạn ra phía rìa hạt. Nhưng ở giới hạn ngoài của proton, một lực bằng nhau và ngược chiều sẽ đẩy bạn về phía trung tâm của proton. Trên đường đi, bạn sẽ bị chèn ép bởi các lực cắt ngang di chuyển vượt xa mọi thứ mà bất kỳ ai sẽ trải qua trong đời.
Một bài báo mới, được xuất bản ngày 22 tháng 2 trên tạp chí Phys Review Letters, đưa ra mô tả đầy đủ nhất về áp lực cạnh tranh bên trong một proton, không chỉ về các hạt quark - các hạt tạo ra khối lượng proton của nó - mà còn là gluon của nó, các hạt không khối lượng liên kết các quark lại với nhau.
Trạng thái lượng tử sủi bọt, sôi này
Những mô tả đơn giản về các proton chỉ liên quan đến ba quark được tổ chức bởi một loạt các gluon. Nhưng những mô tả đó là không đầy đủ, đồng tác giả nghiên cứu Phiala Shanahan, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết.
"Các proton được tạo thành từ một loạt các gluon và sau đó thực sự là một loạt các quark", Shanahan nói với Live Science. "Không chỉ ba. Có ba quark chính, và sau đó bất kỳ số lượng cặp quark-phản quark nào xuất hiện và biến mất và tất cả các tương tác phức tạp của trạng thái lượng tử sôi sùng sục này tạo ra áp lực."
Shanahan và đồng tác giả William Detmold, cũng là một nhà vật lý tại MIT, đã phát hiện ra rằng gluon tạo ra áp lực gấp đôi so với các quark bên trong một proton và áp suất này được phân phối trên một khu vực rộng hơn so với trước đây. Họ phát hiện ra rằng tổng áp suất của một proton đạt cực đại 100 tỷ (hoặc 1 với 35 số 0 sau nó) - hoặc khoảng 260 sextillion (hoặc 26 với 22 số sau nó) gấp áp suất ở tâm Trái đất.
Quan trọng, áp lực đó theo hai hướng khác nhau.
"Có một vùng áp lực tích cực nên cũng phải có một vùng áp lực tiêu cực", cô nói. "Nếu chỉ có một vùng áp lực dương thì proton sẽ tiếp tục giãn nở và nó sẽ không ổn định."
Một tính toán rất lớn
Nhưng lớn như những áp lực đó, không có cách nào để các nhà khoa học đo trực tiếp chúng trong hầu hết các trường hợp. Để thăm dò nội thất của các proton, các nhà khoa học bắn phá chúng bằng các electron thậm chí còn nhỏ hơn ở năng lượng rất cao. Trong quá trình, họ thay đổi các proton. Không có thí nghiệm nào có thể tiết lộ những gì nó giống như bên trong một proton ở những năng lượng thấp mà chúng thường trải qua.
Vì vậy, các nhà khoa học dựa vào lý thuyết về Động lực học lượng tử (QCD) - mô tả các quark và các gluon mang lực mạnh liên kết chúng lại với nhau. Các nhà khoa học biết QCD hoạt động vì các thí nghiệm năng lượng cao đưa ra dự đoán của nó, Detmold nói. Nhưng ở mức năng lượng thấp, họ phải tin tưởng vào toán học và tính toán.
"Thật không may là rất khó để nghiên cứu phân tích, viết ra các phương trình với bút và giấy," Shanahan nói.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu chuyển sang các siêu máy tính kết nối hàng ngàn lõi xử lý với nhau để giải các phương trình phức tạp.
Ngay cả với hai siêu máy tính làm việc cùng nhau, các tính toán mất khoảng một năm, cô nói.
Shanahan và Detmold đã phá vỡ proton thành các chiều khác nhau (ba cho không gian và một cho thời gian) để đơn giản hóa vấn đề mà các siêu máy tính phải giải quyết.
Thay vì một số duy nhất, bản đồ áp suất kết quả sẽ trông giống như một trường mũi tên, tất cả các kích cỡ khác nhau và chỉ theo các hướng khác nhau.
Vì vậy, câu trả lời cho câu hỏi, "áp lực bên trong một proton là gì?" phụ thuộc rất nhiều vào phần proton bạn đang hỏi về.
Nó cũng phụ thuộc vào bán kính của proton. Nếu các proton là túi gluon và quark, thì những túi đó phát triển và co lại tùy thuộc vào các hạt khác tác động lên chúng. Vì vậy, kết quả của Shanahan và Detmold không sôi xuống một con số.
Nhưng bây giờ bản đồ của chúng ta về các thái cực của tất cả những thế giới nhỏ bé, sôi sục bên trong chúng ta sống động hơn rất nhiều.
