Niekas iš tikrųjų nežino, kas vyksta atomo viduje. Tačiau dvi konkuruojančios mokslininkų grupės mano, kad tai išsiaiškino. Ir abu lenktyniauja norėdami įrodyti, kad jų pačių vizija yra teisinga.
Štai ką mes tikrai žinome: elektronai sukasi aplink „orbitas“ atomo išoriniame apvalkale. Tuomet lieka daugybė tuščių vietų. Ir tada, tiesiai tos erdvės centre, yra mažytis branduolys - tankus mazgas protonų ir neutronų, suteikiančių atomui didžiąją dalį savo masės. Tie protonai ir neutronai susilieja kartu, susieti to, kas vadinama stipria jėga. O tų protonų ir neutronų skaičius lemia, ar atomas yra geležis, deguonis ar ksenonas, ar jis yra radioaktyvus, ar stabilus.
Vis dėlto niekas nežino, kaip tie protonai ir neutronai (kartu žinomi kaip nukleonai) elgiasi atomo viduje. Už atomo ribų protonai ir neutronai turi apibrėžtus dydžius ir formas. Kiekvienas iš jų yra sudarytas iš trijų mažesnių dalelių, vadinamų kvarkais, ir tų kvarkų sąveika yra tokia intensyvi, kad jokia išorinė jėga neturėtų sugebėti jų deformuoti, net net galingos jėgos tarp dalelių branduolyje. Tačiau dešimtmečius tyrinėtojai žinojo, kad teorija tam tikra prasme yra klaidinga. Eksperimentai parodė, kad branduolio viduje protonai ir neutronai atrodo daug didesni, nei turėtų būti. Fizikai sukūrė dvi konkuruojančias teorijas, kurios bando paaiškinti tą keistą nesutapimą, ir jų visi šalininkai yra visiškai tikri, o kitas neteisingas. Tačiau abi stovyklos sutaria, kad koks atsakymas teisingas, jis turi būti iš lauko, esančio už jų pačių ribų.
Nuo mažiausiai 1940-ųjų fizikai žinojo, kad branduoliai juda mažose mažose branduolių orbitose, - „Live Science“ pasakojo Vašingtono universiteto branduolinis fizikas Geraldas Milleris. Branduoliai, apriboti judesiais, turi labai mažai energijos. Jie daug nesigrumia, varžomi stiprios jėgos.
1983 m. Europos branduolinių tyrimų organizacijos (CERN) fizikai pastebėjo kai ką keisto: elektronų pluoštai atsitraukė nuo geležies tokiu būdu, kuris labai skyrėsi nuo to, kaip jie atšoko nuo laisvųjų protonų, sakė Milleris. Tai buvo netikėta; Jei vandenilio viduje esantys protonai būtų tokio pat dydžio kaip geležies viduje esantys protonai, elektronai turėtų atšokti panašiai.
Iš pradžių tyrėjai nežinojo, ką mato.
Tačiau laikui bėgant mokslininkai manė, kad tai yra dydžio problema. Dėl tam tikrų priežasčių protonai ir neutronai, esantys sunkiųjų branduolių viduje, veikia taip, tarsi jie būtų daug didesni, nei būdami už branduolio ribų. Tyrėjai šį reiškinį vadina EMC efektu, įvykusiam po Europos muono bendradarbiavimo - netyčia jį atradusiai grupei. Tai pažeidžia egzistuojančias branduolinės fizikos teorijas.
Arba Henas, MIT branduolinis fizikas, turi idėją, kuri galėtų paaiškinti, kas vyksta.
Nors kvarkai, subatominės dalelės, sudarančios nukleonus, stipriai sąveikauja tam tikrame protone ar neutronuose, kvarkai yra skirtinguose protonuose ir neutronai negali daug sąveikauti tarpusavyje, sakė jis. Didelė jėga branduolio viduje yra tokia stipri, kad ji užtemdo stiprią jėgą, laikančią nukleonus, su kitais nukleonais.
„Įsivaizduokite, kad sėdite savo kambaryje kalbėdami su dviem savo draugais uždarytais langais“, - sakė Henas.
Trijulė kambaryje yra trys kvarkai neutrono arba protono viduje.
„Lauke pučia lengvas vėjelis“, - sakė jis.
Tas lengvas vėjelis yra jėga, išlaikanti protoną arba neutroną į netoliese esančius nukleonus, esančius už lango. Net jei šiek tiek paslystumėte pro uždarą langą, sakė Henas, tai vos nepaveiks jūsų.
Ir tol, kol nukleonai išlieka savo orbitalėse, taip ir yra. Tačiau, pasak jo, naujausi eksperimentai parodė, kad bet kuriuo metu apie 20% branduolio branduolių iš tikrųjų yra už jų orbitų. Vietoj to, jie yra suporuoti su kitais nukleonais, sąveikaudami „mažo nuotolio koreliacijose“. Esant tokioms aplinkybėms, branduolių sąveika yra daug didesnės energijos nei įprasta, sakė jis. Taip yra todėl, kad kvarkai kiša per savo atskirų branduolių sienas ir pradeda tiesiogiai sąveikauti, o tos kvarko-kvarko sąveikos yra daug galingesnės nei nukleonų ir nukleonų sąveikos.
Ši sąveika ardo sienas, skiriančias kvarkus atskirų protonų ar neutronų viduje, sakė Henas. Kvarkai, sudarantys vieną protoną, ir kvarkai, sudarantys kitą protoną, pradeda užimti tą pačią erdvę. Dėl šios priežasties protonai (arba, atsižvelgiant į atvejus, neutronai) ištempia ir susilieja. Jie daug auga, nors ir labai trumpą laiką. Tai iškreipia vidutinį visos kohortos dydį branduolyje - sukuria EMS efektą.
Dabar dauguma fizikų sutinka su tokiu EMS efekto aiškinimu, sakė Henas. Ir Milleris, dirbęs kartu su Henu atliekant kai kuriuos svarbiausius tyrimus, sutiko.
Tačiau ne visi mano, kad Heno grupėje yra išspręsta problema. Ilinojuje esančios Argonne nacionalinės laboratorijos branduolinis fizikas Ianas Cloëtas teigė, kad, jo manymu, Heno darbas daro išvadas, kad duomenys nevisiškai patvirtina.
„Manau, kad EMC efektas vis dar neišspręstas“, - sakė Cloët „Live Science“. Taip yra todėl, kad pagrindinis branduolinės fizikos modelis jau apibūdina daug Heno aprašytų mažojo nuotolio porų. Vis dėlto, "jei naudosite tą modelį norėdami pamatyti EMS efektą, neapibūdinsite EMS efekto. EMS efekto naudojant šią sistemą sėkmingai paaiškinti nėra. Taigi, mano nuomone, vis dar yra paslaptis".
Henas ir jo bendradarbiai atlieka eksperimentą, kuris yra „valingas“ ir „labai geras mokslas“, - sakė jis. Bet tai nevisiškai išsprendžia atominio branduolio problemą.
„Akivaizdu, kad tradicinis branduolinės fizikos modelis negali paaiškinti šio EMS efekto“, - sakė jis. "Dabar mes manome, kad paaiškinimą turi pateikti pats QCD".
QCD reiškia kvantinę chromodinamiką - taisyklių sistemą, reglamentuojančią kvarkų elgseną. Perėjimas nuo branduolinės fizikos prie QCD yra panašus į tą patį paveikslėlį žiūrint du kartus: vieną kartą per pirmosios kartos „flip“ telefoną - tai yra branduolinė fizika, o paskui dar kartą didelės raiškos televizoriuje - tai kvantinė chromodinamika. Didelės raiškos televizorius siūlo daug daugiau detalių, tačiau jį pastatyti yra daug sudėtingiau.
Problema ta, kad visas QCD lygtis, apibūdinančias visus branduolio kvarkus, yra per sunku išspręsti, sakė abu Cloët ir Hen. Cloët apskaičiavo, kad modernūs superkompiuteriai yra nutolę maždaug per 100 metų, kad būtų pakankamai greiti. Ir net jei superkompiuteriai šiandien buvo pakankamai greiti, lygtys nepajudėjo iki vietos, kur galėtumėte juos prijungti prie kompiuterio, sakė jis.
Vis dėlto, pasak jo, galima dirbti su QCD, norint atsakyti į kai kuriuos klausimus. O dabar, pasak jo, šie atsakymai siūlo kitokį EMS efekto paaiškinimą: Branduolinio vidurkio lauko teorija.
Jis nesutinka, kad 20% branduolio branduolių yra sujungti mažo nuotolio koreliacijomis. Jis sakė, kad eksperimentai to tiesiog neįrodo. Idėjos kyla teorinių problemų.
Tai rodo, kad mums reikia kitokio modelio, sakė jis.
„Mano turimas vaizdas yra toks, kad mes žinome, kad branduolio viduje yra šios labai stiprios branduolinės jėgos“, - sakė Cloët. Tai yra „šiek tiek panašūs į elektromagnetinius laukus, išskyrus tai, kad jie yra stiprūs jėgos laukai“.
Laukai veikia tokiais mažais atstumais, kad už branduolio ribų jie yra nereikšmingi, tačiau jie yra galingi jo viduje.
Cloëto modelyje šie jėgos laukai, kuriuos jis vadina „vidutiniais laukais“ (dėl jų perduodamos bendros jėgos), iš tikrųjų deformuoja protonų, neutronų ir pionų (stiprią jėgą nešančių dalelių rūšis) vidinę struktūrą.
„Panašiai, kaip paėmę atomą ir įdėdami jį į stiprų magnetinį lauką, pakeisite to atomo vidinę struktūrą“, - teigė Cloët.
Kitaip tariant, vidutinio lauko teoretikai mano, kad aprašyto uždarojo kambario, kurį Henas aprašė, sienose yra skylių, ir pučia vėjas, norėdamas apjuosti kvarkus, juos ištempdamas.
Cloët pripažino, kad tikėtinos nedidelio nuotolio koreliacijos paaiškina tam tikrą EMS efekto dalį, ir Henas teigė, kad vidutiniai laukai taip pat vaidina svarbų vaidmenį.
„Klausimas yra, kas dominuoja“, - sakė Cloët.
Milleris, kuris taip pat daug dirbo su Cloëtu, teigė, kad vidurkio lauko pranašumas yra labiau pagrįstas teorija. Tačiau jis sakė, kad Cloët dar nepadarė visų reikalingų skaičiavimų.
Ir dabar eksperimentinių įrodymų svarumas rodo, kad višta turi geresnį argumentą.
Henas ir Cloëtas teigė, kad per ateinančius kelerius metus atliktų eksperimentų rezultatai gali išspręsti šį klausimą. Višta citavo eksperimentą, vykstantį Jeffersono nacionaliniame greitintuvo įrenginyje Virdžinijoje ir kuris po truputį priartins branduolius ir leis tyrėjams stebėti, kaip jie keičiasi. Cloët teigė, kad nori pamatyti „poliarizuotą EMS eksperimentą“, kuris suardytų efektą, pagrįstą dalyvaujančių protonų sukiniu (kvantiniu bruožu). Jis gali atskleisti nematytų detalių apie poveikį, kuris galėtų padėti skaičiavimams, sakė jis.
Visi trys tyrėjai pabrėžė, kad diskusijos yra draugiškos.
„Puiku, nes tai reiškia, kad mes vis dar darome pažangą“, - teigė Milleris. "Galų gale kažkas atsiras vadovėlyje ir kamuolys bus baigtas. Tai, kad egzistuoja dvi konkuruojančios idėjos, reiškia, kad jis įdomus ir ryškus. Ir pagaliau mes turime eksperimentines priemones šioms problemoms išspręsti."
