Neviens īsti nezina, kas notiek atoma iekšienē. Bet divas konkurējošas zinātnieku grupas domā, ka viņi to ir izdomājuši. Un abi sacenšas, lai pierādītu, ka viņu pašu redzējums ir pareizs.
Lūk, ko mēs droši zinām: elektroni svārstās ap "orbitāles" atoma ārējā apvalkā. Tad tur ir daudz tukšas vietas. Un tad tieši šīs telpas centrā ir niecīgs kodols - blīvs protonu un neitronu mezgls, kas atomam piešķir lielāko daļu savas masas. Šie protoni un neitroni sagrupējas kopā, saistoties ar to, ko sauc par spēcīgo spēku. Un šo protonu un neitronu skaits nosaka, vai atoms ir dzelzs vai skābeklis vai ksenons, un vai tas ir radioaktīvs vai stabils.
Joprojām neviens nezina, kā šie protoni un neitroni (kopā zināmi kā nukleoni) uzvedas atoma iekšpusē. Ārpus atoma protoniem un neitroniem ir noteikti izmēri un formas. Katru no tiem veido trīs mazākas daļiņas, ko sauc par kvarkiem, un mijiedarbība starp šiem kvarkiem ir tik intensīva, ka ārējam spēkam nevajadzētu tos deformēt, pat ne spēcīgiem spēkiem starp daļiņām kodolā. Bet gadu desmitiem ilgi pētnieki ir zinājuši, ka teorija savā ziņā ir nepareiza. Eksperimenti parādīja, ka kodola iekšpusē protoni un neitroni ir daudz lielāki, nekā tiem vajadzētu būt. Fiziķi ir izstrādājuši divas konkurējošas teorijas, kas mēģina izskaidrot šo dīvaino neatbilstību, un to visi atbalstītāji ir pilnīgi pārliecināti, ka otra ir nepareiza. Abas nometnes tomēr ir vienisprātis, ka, lai arī kāda būtu pareizā atbilde, tai jārod no lauka, kas atrodas ārpus viņu pašu.
Kopš vismaz 1940. gadiem fiziķi ir zinājuši, ka kodoli pārvietojas šaurās nelielās orbitālēs kodola iekšienē, Vašingtonas universitātes kodolfizikāns Džeralds Millers stāstīja Live Science. Kodoliem, kas ir ierobežoti kustībās, ir ļoti maz enerģijas. Viņi daudz necenšas, un viņus ierobežo spēcīgs spēks.
1983. gadā Eiropas Kodolpētījumu organizācijas (CERN) fiziķi pamanīja kaut ko dīvainu: elektronu stari atdalījās no dzelzs veidā, kas ļoti atšķīrās no tā, kā viņi atlēca no brīvajiem protoniem, sacīja Millers. Tas bija negaidīti; ja ūdeņraža iekšpusē esošie protoni būtu tāda paša izmēra kā dzelzs iekšienē esošie protoni, elektroniem būtu jābūt atlecieniem tādā pašā veidā.
Sākumā pētnieki nezināja, ko viņi aplūko.
Bet laika gaitā zinātnieki uzskatīja, ka tas ir lieluma jautājums. Kādu iemeslu dēļ protoni un neitroni smago kodolu iekšienē darbojas tā, it kā tie būtu daudz lielāki nekā tad, ja tie atrodas ārpus kodoliem. Pētnieki šo parādību sauc par EMC efektu pēc Eiropas Muona sadarbības - grupas, kas to nejauši atklāja. Tas pārkāpj esošās kodolfizikas teorijas.
Vai arī visam, MIT kodolfizikam, ir ideja, kas potenciāli varētu izskaidrot notiekošo.
Kamēr kvarki, subatomiskās daļiņas, kas veido nukleonus, spēcīgi mijiedarbojas noteiktā protonā vai neitronā, kvarki dažādos protonos un neitronos nevar daudz mijiedarboties viens ar otru, viņš sacīja. Spēcīgais spēks nukleona iekšienē ir tik spēcīgs, ka tas aizēno spēcīgo spēku, kas notur nukleonus ar citiem nukleoniem.
"Iedomājieties, ka sēdējat savā istabā, runājot ar diviem saviem draugiem ar aizvērtiem logiem," sacīja Hena.
Trio telpā ir trīs kvarki neitrona vai protona iekšpusē.
"Ārā pūš viegla vēsma," viņš sacīja.
Šī vieglā vēsma ir spēks, kas notur protonu vai neitronu tuvējiem nukleoniem, kas atrodas "ārpus" loga. Pat ja nedaudz izšļācos pa aizvērto logu, Hena sacīja, tas tik tikko jūs neietekmēs.
Un, kamēr nukleoni paliek savās orbitālēs, tas tā ir. Tomēr viņš sacīja, ka nesenie eksperimenti ir parādījuši, ka jebkurā brīdī aptuveni 20% kodolu kodolu faktiski atrodas ārpus viņu orbitāles. Tā vietā viņi tiek savienoti pārī ar citiem nukleoniem, mijiedarbojoties "maza diapazona korelācijās". Šādos apstākļos mijiedarbība starp nukleoniem prasa daudz vairāk enerģijas nekā parasti, viņš teica. Tas ir tāpēc, ka kvarki izduras cauri atsevišķu nukleonu sienām un sāk tieši mijiedarboties, un šī kvarka-bikarda mijiedarbība ir daudz spēcīgāka nekā nukleona-nukleona mijiedarbība.
Šī mijiedarbība sagrauj sienas, kas atdala kvarkus atsevišķu protonu vai neitronu iekšienē, sacīja Hens. Kvarki, kas veido vienu protonu, un kvarki, kas veido citu protonu, sāk aizņemt to pašu vietu. Tas izraisa protonu (vai neitronu, atkarībā no gadījuma) izstiepšanos un izplūšanu, sacīja Hena. Viņi aug daudz, kaut arī ļoti īsu laika periodu. Tas izliek visu kohortas vidējo lielumu kodolā - rada EMS efektu.
Lielākā daļa fiziķu tagad pieņem šo EMS efekta interpretāciju, sacīja Hēns. Un Millers, kurš strādāja ar vistu pie dažiem galvenajiem pētījumiem, piekrita.
Bet ne visi domā, ka vistu grupai ir atrisināta problēma. Ian Cloët, Ilinoisas Argonnas Nacionālās laboratorijas kodolfiziķis sacīja, ka, viņaprāt, Hena darbs izdara secinājumus, ka dati pilnībā neatbalsta.
"Es domāju, ka EMC efekts joprojām nav atrisināts," Live Science sacīja Cloët. Tas ir tāpēc, ka kodolfizikas pamatmodelis jau veido lielu daļu no Hen aprakstītajiem maza darbības attāluma pāriem. Tomēr "ja jūs izmantojat šo modeli, lai mēģinātu aplūkot EMS efektu, jūs neaprakstītu EMS efektu. EMS efekta skaidrojums, izmantojot šo ietvaru, nav veiksmīgs. Tāpēc, manuprāt, joprojām ir noslēpums."
Viņš un viņa līdzstrādnieki veic eksperimentālu darbu, kas ir "varens" un "ļoti labs zinātnes darbs", viņš teica. Bet tas pilnībā neatrisina atomu kodola problēmu.
"Ir skaidrs, ka tradicionālais kodolfizikas modelis… nevar izskaidrot šo EMS efektu," viņš teica. "Mēs tagad domājam, ka skaidrojumam jābūt no paša QCD."
QCD apzīmē kvantu hromodinamiku - noteikumu sistēmu, kas regulē kvarku uzvedību. Pāreja no kodolfizikas uz QCD ir nedaudz tāda pati kā divreiz lielāka skatīšanās uz vienu un to pašu attēlu: vienreiz pirmās paaudzes tālrunī - tā ir kodolfizika - un tad atkal augstas izšķirtspējas televizorā - tā ir kvantu hromodinamika. Augstas izšķirtspējas televizors piedāvā daudz sīkāku informāciju, taču to ir daudz sarežģītāk izveidot.
Problēma ir tā, ka pilnīgos QCD vienādojumus, kas apraksta visus kodola kvarkus, ir pārāk grūti atrisināt, sacīja Klots un Hens. Kloets lēš, ka mūsdienu superdatori ir aptuveni 100 gadu attālumā no tā, lai tie būtu pietiekami ātri. Un, pat ja superdatori šodien bija pietiekami ātri, vienādojumi nav pavirzījušies līdz vietai, kur jūs varētu tos pievienot datoram, viņš teica.
Tomēr viņš sacīja, ka ir iespējams strādāt ar QCD, lai atbildētu uz dažiem jautājumiem. Un tagad, pēc viņa teiktā, šīs atbildes piedāvā atšķirīgu EMC efekta skaidrojumu: kodolvidējā lauka teorija.
Viņš nepiekrīt, ka 20% kodola kodolu ir saistīti ar maza attāluma korelācijām. Viņš sacīja, ka eksperimenti to vienkārši nepierāda. Un idejai ir teorētiskas problēmas.
Tas liek domāt, ka mums ir nepieciešams atšķirīgs modelis, viņš teica.
"Mana ainava ir tāda, ka mēs zinām, ka kodola iekšienē atrodas šie ļoti spēcīgie kodolieroči," sacīja Kloets. Tie ir "nedaudz līdzīgi elektromagnētiskajiem laukiem, izņemot, ja tie ir spēcīgi spēka lauki".
Lauki darbojas tik mazos attālumos, ka ārpus kodola tie ir nenozīmīgi, taču ir spēcīgi tā iekšpusē.
Kloē modelī šie spēka lauki, kurus viņš dēvē par “vidējiem laukiem” (par kopējo spēku, ko tie pārvadā), faktiski deformē protonu, neitronu un pionu (spēcīgu spēku nesošo daļiņu tips) iekšējo struktūru.
"Tāpat kā tad, ja jūs paņemat atomu un ievietojat to spēcīgā magnētiskajā laukā, jūs mainīsit šī atoma iekšējo struktūru," sacīja Kloets.
Citiem vārdiem sakot, vidējā lauka teorētiķi domā, ka aprakstītās noslēgtās telpas, kurai vistu aprakstīts, sienās ir caurumi, un vējš pūš cauri, lai izsita kvarkus apkārt, izstiepjot tos.
Kloets atzina, ka iespējamās neliela attāluma korelācijas, iespējams, izskaidro kādu EMS efekta daļu, un Henks sacīja, ka arī vidējiem laukiem, iespējams, ir nozīme.
"Jautājums ir par to, kurš dominē," sacīja Kloets.
Millers, kurš arī ir plaši sadarbojies ar Kloatu, sacīja, ka vidējā lauka priekšrocība ir labāka teorētiskā pamatotība. Bet Kloids vēl nav veicis visus nepieciešamos aprēķinus, viņš teica.
Un šobrīd eksperimentālo pierādījumu svars liek domāt, ka visam ir labāks arguments.
Gan Hen, gan Kloet teica, ka eksperimentu rezultāti tuvākajos gados varētu atrisināt šo jautājumu. Vins citēja eksperimentu, kas tiek veikts Džefersona Nacionālajā paātrinātāja iekārtā Virdžīnijā un kas pamazām tuvinās nukleonus tuvāk un ļaus pētniekiem novērot, kā tie mainās. Kloets sacīja, ka vēlas redzēt "polarizētu EMS eksperimentu", kas izjauktu efektu, pamatojoties uz iesaistīto protonu spin (kvantu iezīme). Viņš varētu atklāt neredzētas ietekmes detaļas, kas varētu palīdzēt aprēķinos, viņš sacīja.
Visi trīs pētnieki uzsvēra, ka debates ir draudzīgas.
"Tas ir lieliski, jo tas nozīmē, ka mēs joprojām gūstam panākumus," sacīja Millers. "Galu galā mācību grāmatā kaut kas notiks, un bumbiņas spēle ir beigusies. Fakts, ka pastāv divas konkurējošas idejas, nozīmē, ka tā ir aizraujoša un dinamiska. Un tagad mums beidzot ir eksperimentālie rīki šo problēmu risināšanai."
