如果你登上魔法校車，開始縮小——比螞蟻、變形蟲或單個細(xì)胞還小，然后不斷縮小，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(jìn)入一個充滿巨大、相互沖突的壓力泡泡世界。

在質(zhì)子的中心，一個比中子星內(nèi)部更大的壓力會把你推向粒子邊緣。但是在質(zhì)子的外部極限，一個相等和相反的力會把你推向質(zhì)子中心。在這個過程中，你會受到側(cè)向移動的剪切力沖擊，這是任何人一生中都不會經(jīng)歷的。

博科園-科學(xué)科普：2月22日發(fā)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(zhì)子內(nèi)部相互競爭壓力的最完整描述。不僅是從夸克(賦予質(zhì)子質(zhì)量的粒子)的角度來描述，還從膠子(膠子是一種無質(zhì)量的粒子，將這些夸克結(jié)合在一起)的角度來描述。該研究的合作者，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Phiala Shanahan說：對質(zhì)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(zhì)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，然后任意數(shù)量的夸克-反夸克對出現(xiàn)和消失。

所有這些復(fù)雜的相互作用沸騰的量子態(tài)產(chǎn)生了壓強沙納漢和合著者威廉·德莫特(William Detmold)發(fā)現(xiàn)，膠子產(chǎn)生的壓力大約是質(zhì)子內(nèi)部夸克產(chǎn)生的壓力的兩倍，而且這種壓力分布的區(qū)域比以前所知的更廣，質(zhì)子內(nèi)部最高壓強是10^35帕斯卡左右，約為中子星中子星內(nèi)部的的10倍。但是，盡管這些壓力如此巨大，科學(xué)家在大多數(shù)情況下無法直接測量它們。為了探測質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們以極高的能量用更小的電子轟擊質(zhì)子。在這個過程中，它們改變了質(zhì)子。沒有任何已知的實驗?zāi)芙沂举|(zhì)子在通常經(jīng)歷低能量狀態(tài)下的內(nèi)部情況。

因此，科學(xué)家們依賴于量子色動力學(xué)(QCD)理論，該理論描述了夸克和將夸克和夸克結(jié)合在一起的強載力膠子?？茖W(xué)家們之所以知道QCD有效，是因為高能實驗證實了它的預(yù)測。但是在低能量的情況下，必須相信數(shù)學(xué)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(jìn)行分析研究。相反，研究人員轉(zhuǎn)向?qū)?shù)千個處理器內(nèi)核連在一起的超級計算機來解決復(fù)雜方程。即使有兩臺超級計算機一起工作，計算也花了大約一年的時間。

為了簡化超級計算機必須解決的問題，研究人員將質(zhì)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(shù)字，而是一個箭頭區(qū)域，大小不同，指向不同的方向。所以這個問題的答案，質(zhì)子內(nèi)部的壓強是多少？很大程度上取決于你問的是質(zhì)子的哪一部分。它還取決于質(zhì)子的半徑。如果質(zhì)子是膠子和夸克的袋子，這些袋子的大小取決于作用在它們上面的其他粒子。所以研究結(jié)果不能歸結(jié)為一個單一的數(shù)字。但現(xiàn)在，那些微小、沸騰世界的極端圖景要生動得多。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《物理評論快報》,《自然》

文:?Live Science/Rafi Letzter

DOI:?10.1038/s41586-018-0060-z

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