มีความลึกลับยักษ์ซ่อนอยู่ในทุกอะตอมในจักรวาล

ไม่มีใครรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นภายในอะตอม- แต่นักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มที่แข่งขันกันคิดว่าพวกเขาคิดออก และทั้งคู่กำลังแข่งกันเพื่อพิสูจน์ว่าวิสัยทัศน์ของพวกเขาถูกต้อง

นี่คือสิ่งที่เรารู้แน่นอนว่า: อิเล็กตรอนหวายรอบ "orbitals" ในเปลือกนอกของอะตอม จากนั้นก็มีพื้นที่ว่างมากมาย จากนั้นอยู่ตรงกลางของพื้นที่นั้นมีนิวเคลียสเล็ก ๆ - ปมที่หนาแน่นของโปรตอนและนิวตรอนที่ให้มวลของมวลส่วนใหญ่ กลุ่มโปรตอนและนิวตรอนเหล่านั้นรวมกันโดยสิ่งที่เรียกว่าพลังที่แข็งแกร่งและจำนวนของโปรตอนและนิวตรอนเหล่านั้นจะตรวจสอบว่าอะตอมเป็นเหล็กหรือออกซิเจนหรือซีนอนและไม่ว่าจะเป็นกัมมันตภาพรังสีหรือเสถียร

ถึงกระนั้นก็ยังไม่มีใครรู้ว่าโปรตอนและนิวตรอนเหล่านั้น (รวมกันเป็นนิวเคลียส) มีพฤติกรรมภายในอะตอม นอกอะตอมโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดและรูปร่างที่แน่นอน แต่ละอันประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กสามชนิดที่เรียกว่าควาร์กและปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กนั้นรุนแรงมากจนไม่มีแรงภายนอกที่จะสามารถทำให้เสียรูปได้แม้กระทั่งแรงอันทรงพลังระหว่างอนุภาคในนิวเคลียส แต่มานานหลายทศวรรษนักวิจัยได้รู้ว่าทฤษฎีนั้นผิดไปทางใดทางหนึ่ง การทดลองแสดงให้เห็นว่าภายในนิวเคลียสโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดใหญ่กว่าที่ควรจะเป็น นักฟิสิกส์ได้พัฒนาทฤษฎีการแข่งขันสองทฤษฎีที่พยายามอธิบายว่าไม่ตรงกันแปลก ๆ และผู้เสนอของแต่ละคนค่อนข้างมั่นใจว่าอีกฝ่ายไม่ถูกต้อง อย่างไรก็ตามค่ายทั้งสองเห็นด้วยไม่ว่าคำตอบที่ถูกต้องจะต้องมาจากทุ่งนาเกินกว่าของพวกเขาเอง

ที่เกี่ยวข้อง:ความลึกลับที่ไม่ได้แก้ไขมากที่สุดในฟิสิกส์

ตั้งแต่ปี 1940 นักฟิสิกส์รู้ว่านิวเคลียสเคลื่อนที่ในวงโคจรเล็ก ๆ น้อย ๆ ภายในนิวเคลียสเจอรัลด์มิลเลอร์นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต นิวเคลียสที่ถูกกักขังอยู่ในการเคลื่อนไหวของพวกเขามีพลังงานน้อยมาก พวกเขาไม่ได้เด้งไปรอบ ๆ มากถูกควบคุมโดยพลังที่แข็งแกร่ง

ในปีพ. ศ. 2526 นักฟิสิกส์ที่องค์การยุโรปเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ (CERN) สังเกตเห็นสิ่งที่แปลก: คานอิเล็กตรอนเด้งออกจากเหล็กในแบบที่แตกต่างจากวิธีที่พวกเขาเด้งออกจากโปรตอนฟรีมิลเลอร์กล่าว นั่นเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึง หากโปรตอนในไฮโดรเจนมีขนาดเท่ากันกับโปรตอนภายในเหล็กอิเล็กตรอนควรเด้งออกมาในลักษณะเดียวกัน

ตอนแรกนักวิจัยไม่รู้ว่าพวกเขากำลังมองหาอะไร

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกที่ส่งตรงไปยังกล่องจดหมายของคุณ

แต่เมื่อเวลาผ่านไปนักวิทยาศาสตร์ก็เชื่อว่ามันเป็นปัญหาขนาด ด้วยเหตุผลบางอย่างโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสหนักทำหน้าที่ราวกับว่ามันใหญ่กว่าตอนที่อยู่นอกนิวเคลียส นักวิจัยเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าเอฟเฟกต์ EMC หลังจากการทำงานร่วมกันของยุโรป - กลุ่มที่ค้นพบโดยไม่ตั้งใจ-มันละเมิดทฤษฎีที่มีอยู่ของฟิสิกส์นิวเคลียร์

หรือไก่นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ MIT มีความคิดที่อาจอธิบายได้ว่าเกิดอะไรขึ้น

ในขณะที่ควาร์กอนุภาคย่อยนั่นทำให้เกิดนิวเคลียสมีปฏิสัมพันธ์อย่างมากภายในโปรตอนหรือนิวตรอนที่กำหนดควาร์กในโปรตอนและนิวตรอนที่แตกต่างกันไม่สามารถโต้ตอบกันได้มากนัก แรงที่แข็งแกร่งภายในนิวเคลียสนั้นแข็งแกร่งมากมันจะบดบังแรงที่แข็งแกร่งที่ยึดนิวเคลียสไปยังนิวเคลียสอื่น ๆ

“ ลองนึกภาพนั่งอยู่ในห้องของคุณคุยกับเพื่อนสองคนของคุณโดยปิดหน้าต่าง” เฮนกล่าว

ทั้งสามคนในห้องมีสามควาร์กภายในนิวตรอนหรือโปรตอน

“ สายลมเบา ๆ กำลังพัดข้างนอก” เขากล่าว

สายลมแสงนั้นคือแรงที่ถือโปรตอนหรือนิวตรอนไปยังนิวเคลียสใกล้เคียงซึ่งอยู่นอกหน้าต่าง แม้ว่าจะมีการแอบผ่านหน้าต่างปิดเล็กน้อยเฮนก็พูดว่ามันจะส่งผลกระทบต่อคุณแทบจะไม่

และตราบใดที่นิวเคลียสยังคงอยู่ในวงโคจรของพวกเขานั่นเป็นกรณี อย่างไรก็ตามเขากล่าวว่าการทดลองเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าในเวลาใดก็ตามประมาณ 20% ของนิวเคลียสในนิวเคลียสนั้นอยู่นอกวงโคจรของพวกเขา แต่พวกเขาก็จับคู่กับนิวเคลียสอื่น ๆ โต้ตอบใน "ความสัมพันธ์ระยะสั้น" ภายใต้สถานการณ์เหล่านั้นปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวเคลียสนั้นมีพลังงานสูงกว่าปกติมากเขากล่าว นั่นเป็นเพราะควาร์กแหย่ผ่านกำแพงของนิวเคลียสของแต่ละคนและเริ่มมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงและปฏิสัมพันธ์ของควาร์ก-ควอร์กนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าการปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียส-นิวคลีออน

ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ทำลายผนังแยกควาร์กภายในโปรตอนหรือนิวตรอนแต่ละตัวไก่กล่าว ควาร์กทำโปรตอนหนึ่งอันและควาร์กทำโปรตอนอีกอันหนึ่งเริ่มที่จะครอบครองพื้นที่เดียวกัน สิ่งนี้ทำให้โปรตอน (หรือนิวตรอนเป็นไปได้) เพื่อยืดและเบลอเฮนกล่าว พวกเขาเติบโตมากแม้ว่าจะเป็นระยะเวลาสั้น ๆ ที่เบ้ขนาดเฉลี่ยของกลุ่มทั้งหมดในนิวเคลียส - ผลิตเอฟเฟกต์ EMC-

ที่เกี่ยวข้อง:ควาร์กแปลก ๆ และมูอนโอ้ฉัน! อนุภาคที่เล็กที่สุดของธรรมชาติผ่า

นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ยอมรับการตีความเอฟเฟกต์ EMC นี้เฮนกล่าว และมิลเลอร์ที่ทำงานกับเฮนในการวิจัยที่สำคัญบางอย่างเห็นด้วย

แต่ไม่ใช่ทุกคนที่คิดว่ากลุ่มของเฮนมีปัญหาออกมา Ian Cloëtนักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ Argonne National Laboratory ในรัฐอิลลินอยส์กล่าวว่าเขาคิดว่างานของ Hen ได้รับข้อสรุปว่าข้อมูลไม่สนับสนุนอย่างเต็มที่

“ ฉันคิดว่าเอฟเฟกต์ EMC ยังคงไม่ได้รับการแก้ไข” Cloëtบอกกับ Live Science นั่นเป็นเพราะรูปแบบพื้นฐานของฟิสิกส์นิวเคลียร์นั้นมีแนวโน้มที่ไก่จับคู่ระยะสั้นจำนวนมากอธิบาย แต่ถ้าคุณใช้โมเดลนั้นเพื่อลองดูเอฟเฟกต์ EMC คุณจะไม่อธิบายเอฟเฟกต์ EMC ไม่มีคำอธิบายที่ประสบความสำเร็จเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ EMC โดยใช้กรอบนั้นดังนั้นในความคิดของฉัน

เฮนและผู้ทำงานร่วมกันของเขากำลังทำงานเชิงทดลองนั่นคือ "กล้าหาญ" และ "วิทยาศาสตร์ที่ดีมาก" เขากล่าว แต่มันไม่สามารถแก้ไขปัญหาของนิวเคลียสอะตอมได้อย่างเต็มที่

“ สิ่งที่ชัดเจนคือรูปแบบดั้งเดิมของฟิสิกส์นิวเคลียร์…ไม่สามารถอธิบายเอฟเฟกต์ EMC นี้ได้” เขากล่าว "ตอนนี้เราคิดว่าคำอธิบายจะต้องมาจาก QCD เอง"

QCD ย่อมาจากควอนตัม chromodynamics - ระบบของกฎที่ควบคุมพฤติกรรมของควาร์ก การเปลี่ยนจากฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็น QCD เป็นเหมือนการดูภาพเดียวกันสองครั้ง: ครั้งหนึ่งในโทรศัพท์พลิกรุ่นแรก-นั่นคือฟิสิกส์นิวเคลียร์-และจากนั้นอีกครั้งในทีวีความละเอียดสูงนั่นคือควอนตัม chromodynamics ทีวีความละเอียดสูงมีรายละเอียดมากขึ้น แต่มันซับซ้อนกว่ามากในการสร้าง

ปัญหาคือสมการ QCD ที่สมบูรณ์แบบที่อธิบายควาร์กทั้งหมดในนิวเคลียสนั้นยากเกินกว่าที่จะแก้ไขได้Cloëtและ Hen กล่าว ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่อยู่ห่างจากการทำงานเร็วพอสำหรับงานประมาณ 100 ปี และแม้ว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์จะเร็วพอวันนี้สมการยังไม่ได้ก้าวไปจนถึงจุดที่คุณสามารถเสียบเข้ากับคอมพิวเตอร์ได้เขากล่าว

ถึงกระนั้นเขาก็บอกว่ามันเป็นไปได้ที่จะทำงานกับ QCD เพื่อตอบคำถามบางอย่าง และตอนนี้เขากล่าวว่าคำตอบเหล่านั้นเสนอคำอธิบายที่แตกต่างกันสำหรับเอฟเฟกต์ EMC: ทฤษฎีสนามนิวเคลียร์

เขาไม่เห็นด้วยว่า 20% ของนิวเคลียสในนิวเคลียสถูกผูกไว้ในความสัมพันธ์ระยะสั้น การทดลองไม่ได้พิสูจน์ว่าเขาพูด และมีปัญหาทางทฤษฎีกับความคิด

นั่นแสดงให้เห็นว่าเราต้องการแบบจำลองที่แตกต่างกันเขากล่าว

“ ภาพที่ฉันมีคือเรารู้ว่าภายในนิวเคลียสเป็นกองกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมาก” Cloëtกล่าว นี่คือ "เล็กน้อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, ยกเว้นว่าพวกเขากำลังแรงที่แข็งแกร่ง "

ทุ่งนาทำงานในระยะทางเล็ก ๆ ที่มีขนาดเล็กน้อยนอกนิวเคลียส แต่มันก็ทรงพลังภายใน

ในแบบจำลองของCloëtฟิลด์แรงเหล่านี้ซึ่งเขาเรียกว่า "ค่าเฉลี่ยฟิลด์" (สำหรับความแข็งแรงรวมที่พวกเขาพกพา) ทำให้โครงสร้างภายในของโปรตอน, นิวตรอนและเบี้ย(ประเภทของอนุภาคที่พกพาแรงที่แข็งแกร่ง)

"เหมือนกับว่าคุณใช้อะตอมและคุณใส่มันไว้ในที่แข็งแกร่งสนามแม่เหล็กคุณจะเปลี่ยนโครงสร้างภายในของอะตอมนั้น "Cloëtกล่าว

กล่าวอีกนัยหนึ่งนักทฤษฎีค่าเฉลี่ยของสนามคิดว่าไก่ที่ถูกปิดผนึกที่อธิบายไว้มีรูในผนังของมันและลมพัดผ่านไปเพื่อเคาะควาร์กรอบ ๆ

Cloëtยอมรับว่ามีความสัมพันธ์ระยะสั้นที่เป็นไปได้ที่จะอธิบายถึงผลกระทบบางส่วนของ EMC และ Hen กล่าวว่าเขตข้อมูลค่าเฉลี่ยน่าจะมีบทบาทเช่นกัน

“ คำถามคือซึ่งครอบงำ” Cloëtกล่าว

มิลเลอร์ซึ่งเคยทำงานอย่างกว้างขวางกับCloëtกล่าวว่าสนามเฉลี่ยมีข้อได้เปรียบในการมีเหตุผลที่ดีกว่าในทางทฤษฎี แต่Cloëtยังไม่ได้ทำการคำนวณที่จำเป็นทั้งหมดเขากล่าว

และตอนนี้น้ำหนักของหลักฐานการทดลองแสดงให้เห็นว่าไก่มีข้อโต้แย้งที่ดีกว่า

Hen และCloëtทั้งคู่กล่าวว่าผลการทดลองในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าสามารถแก้ไขคำถามได้ เฮนอ้างถึงการทดลองที่กำลังดำเนินการที่ Jefferson National Accelerator ในรัฐเวอร์จิเนียซึ่งจะย้ายนิวเคลียสเข้าใกล้กันทีละน้อยและอนุญาตให้นักวิจัยดูพวกเขาเปลี่ยนแปลง Cloëtกล่าวว่าเขาต้องการเห็น "การทดลอง EMC แบบโพลาไรซ์" ซึ่งจะทำให้เกิดเอฟเฟกต์ตามสปิน (ลักษณะควอนตัม) ของโปรตอนที่เกี่ยวข้อง มันอาจเปิดเผยรายละเอียดที่มองไม่เห็นเกี่ยวกับผลกระทบที่สามารถช่วยการคำนวณได้เขากล่าว

นักวิจัยทั้งสามเน้นว่าการอภิปรายเป็นมิตร

“ มันเยี่ยมมากเพราะมันหมายความว่าเรายังคงก้าวหน้าอยู่” มิลเลอร์กล่าว "ในที่สุดบางสิ่งบางอย่างจะอยู่ในตำราเรียนและเกมบอลสิ้นสุดลง ... ความจริงที่ว่ามีแนวคิดการแข่งขันสองประการหมายความว่ามันน่าตื่นเต้นและมีชีวิตชีวาและในที่สุดเราก็มีเครื่องมือทดลองเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้"

เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์สด-

ต้องการวิทยาศาสตร์มากขึ้น? รับการสมัครสมาชิกสิ่งพิมพ์น้องสาวของเรานิตยสาร "มันทำงานอย่างไร"สำหรับข่าววิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งล่าสุด (เครดิตภาพ: Future PLC)

相關貼文