質子內部的巨大壓力究竟有多大？意想不到

如果你登上魔法校車，開始縮小——比螞蟻、變形蟲或單個細胞還小，然後不斷縮小，直到單個原子和整個世界一樣大，甚至它們的組成粒子都高過你——你就會進入一個充滿巨大、相互衝突的壓力泡泡世界。在質子的中心，一個比中子星內部更大的壓力會把你推向粒子邊緣。但是在質子的外部極限，一個相等和相反的力會把你推向質子中心。在這個過程中，你會受到側向移動的剪切力衝擊，這是任何人一生中都不會經歷的。

博科園-科學科普：2月22日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇新論文，提供了迄今為止對質子內部相互競爭壓力的最完整描述。不僅是從夸克(賦予質子質量的粒子)的角度來描述，還從膠子(膠子是一種無質量的粒子，將這些夸克結合在一起)的角度來描述。

該研究的合作者，麻省理工學院的物理學家Phiala Shanahan說：對質子簡單描述只涉及由一群膠子組成的三夸克，但是這些描述是不完整的。質子是由一堆膠子和一堆夸克組成，不僅僅是三個。有三個主要的夸克，然後任意數量的夸克-反夸克對出現和消失。

圖片：adison pangchai/Shutterstock

所有這些複雜的相互作用沸騰的量子態產生了壓強沙納漢和合著者威廉·德莫特(William Detmold)發現，膠子產生的壓力大約是質子內部夸克產生的壓力的兩倍，而且這種壓力分布的區域比以前所知的更廣，質子內部最高壓強是10^35帕斯卡左右，約為中子星中子星內部的的10倍。但是，儘管這些壓力如此巨大，科學家在大多數情況下無法直接測量它們。為了探測質子的內部結構，科學家們以極高的能量用更小的電子轟擊質子。在這個過程中，它們改變了質子。沒有任何已知的實驗能揭示質子在通常經歷低能量狀態下的內部情況。

核物理學家發現，質子的組成部分夸克在質子中心附近受到10^35帕斯卡的壓力，大約是中子星中心壓力的10倍。圖片：DOE"s Jefferson Lab

因此，科學家們依賴於量子色動力學(QCD)理論，該理論描述了夸克和將夸克和夸克結合在一起的強載力膠子。科學家們之所以知道QCD有效，是因為高能實驗證實了它的預測。但是在低能量的情況下，必須相信數學和計算。奇怪的夸克和介子，解剖自然界最微小的粒子不幸的是，用紙和筆寫下方程，很難進行分析研究。相反，研究人員轉向將數千個處理器內核連在一起的超級計算機來解決複雜方程。即使有兩台超級計算機一起工作，計算也花了大約一年的時間。

麻省理工學院物理學家首次計算出質子內部的壓力分布，他們發現質子的高壓核心向外推，而周圍區域向內推。圖片：Massachusetts Institute of Technology

為了簡化超級計算機必須解決的問題，研究人員將質子分解成不同的維度(空間為3維，時間為1維)。生成的壓力圖不是單個數字，而是一個箭頭區域，大小不同，指向不同的方向。所以這個問題的答案，質子內部的壓強是多少？很大程度上取決於你問的是質子的哪一部分。它還取決於質子的半徑。如果質子是膠子和夸克的袋子，這些袋子的大小取決於作用在它們上面的其他粒子。所以研究結果不能歸結為一個單一的數字。但現在，那些微小、沸騰世界的極端圖景要生動得多。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《物理評論快報》,《自然》

文:Live Science/Rafi Letzter

DOI: 10.1038/s41586-018-0060-z

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