Κανείς δεν ξέρει πραγματικά τι συμβαίνει μέσα σε ένα άτομο, αλλά δύο ανταγωνιστικές ομάδες επιστημόνων πιστεύουν ότι το έχουν καταλάβει. Και οι δύο αγωνίζονται για να αποδείξουν ότι το όραμά τους είναι σωστό.
Εδώ είναι αυτό που ξέρουμε σίγουρα: Τα ηλεκτρόνια σφύζουν γύρω από τα «τροχιακά» στο εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου. Έπειτα, υπάρχει ένας άφθονος κενός χώρος. Και στη συνέχεια, ακριβώς στο κέντρο αυτού του χώρου, υπάρχει ένας μικροσκοπικός πυρήνας – ένας πυκνός κόμπος πρωτονίων και νετρονίων που δίνουν στο άτομο το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια συσσωρεύονται μαζί, και δεσμεύονται από αυτό που ονομάζεται ισχυρή δύναμη. Και οι αριθμοί αυτών των πρωτονίων και νετρονίων καθορίζουν αν το άτομο είναι σίδηρος ή οξυγόνο ή ξένον και αν είναι ραδιενεργό ή σταθερό.
Ακόμα, κανείς δεν ξέρει πώς αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια (μαζί γνωστά ως νουκλεόνια) συμπεριφέρονται μέσα σε ένα άτομο. Έξω από ένα άτομο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν συγκεκριμένα μεγέθη και σχήματα. Κάθε ένα από αυτά αποτελείται από τρία μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκς και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των κουάρκ είναι τόσο έντονες ώστε καμία εξωτερική δύναμη δεν θα πρέπει να μπορεί να τα παραμορφώσει, ούτε και οι ισχυρές δυνάμεις μεταξύ σωματιδίων σε έναν πυρήνα. Αλλά εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η θεωρία είναι κατά κάποιο τρόπο λανθασμένη. Τα πειράματα έχουν δείξει ότι, μέσα σε έναν πυρήνα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια φαίνονται πολύ μεγαλύτερα από αυτά που πρέπει να είναι. Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει δύο ανταγωνιστικές θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν αυτή την παράξενη αναντιστοιχία και οι υποστηρικτές της καθεμιάς είναι αρκετά σίγουροι ότι ο άλλος είναι εσφαλμένος. Και τα δύο στρατόπεδα συμφωνούν, ανεξάρτητα από τη σωστή απάντηση.
Τουλάχιστον από την δεκαετία του 1940, οι φυσικοί έχουν γνωρίσει ότι τα νουκλεόνια κινούνται σε σφιχτά μικρά τροχιακά μέσα στον πυρήνα, δήλωσε ο Ζαρντ Μίλερ, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Τα νουκλεόνια, που περιορίζονται στις κινήσεις τους, έχουν πολύ λίγη ενέργεια. Δεν αναπηδούν πολύ, συγκρατημένα από την ισχυρή δύναμη.
Το 1983, οι φυσικοί του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) διαπίστωσαν κάτι περίεργο: Οι δέσμες των ηλεκτρονίων αναπήδησαν από το σίδερο με τρόπο που ήταν πολύ διαφορετικός από το πώς αναπηδήθηκαν από τα ελεύθερα πρωτόνια, είπε ο Μίλλερ. Αυτό ήταν απροσδόκητο, αν τα πρωτόνια στο εσωτερικό του υδρογόνου είχαν το ίδιο μέγεθος με τα πρωτόνια μέσα στο σίδηρο, τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να έχουν αναπηδήσει με τον ίδιο τρόπο.
Αρχικά, οι ερευνητές δεν γνώριζαν τι έβλεπαν.
Αλλά με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν θέμα μεγέθους. Για κάποιο λόγο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στους βαρείς πυρήνες δρούσαν σαν να ήταν πολύ μεγαλύτερα από όταν βρίσκονται έξω από τους πυρήνες. Οι ερευνητές ονομάζουν αυτό το φαινόμενο το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, μετά την Ευρωπαϊκή Συνεργασία Muon – την ομάδα που την ανακάλυψε τυχαία. Παραβιάζει όμως τις υπάρχουσες θεωρίες της πυρηνικής φυσικής.
Ο Hen, ένας πυρηνικός φυσικός στο MIT, έχει μια ιδέα που θα μπορούσε ενδεχομένως να εξηγήσει τι συμβαίνει.
Ενώ τα κουάρκ, τα υποατομικά σωματίδια που σχηματίζουν νουκλεόνια, αλληλεπιδρούν έντονα μέσα σε ένα δεδομένο πρωτόνιο ή νετρόνιο, τα κουάρκ σε διαφορετικά πρωτόνια και τα νετρόνια δεν μπορούν να αλληλεπιδρούν πολύ μεταξύ τους, είπε. Η ισχυρή δύναμη μέσα σε ένα νουκλεόνιο είναι τόσο ισχυρή που εκλείφει την ισχυρά πυρακτωμένη πυρακτώδη δύναμη σε άλλα νουκλεόνια.
«Φανταστείτε να κάθεστε στο δωμάτιό σας μιλώντας σε δύο από τους φίλους σας με τα παράθυρα κλειστά», δήλωσε ο Hen.
Ωστόσο, ανέφερε, πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει ότι σε κάθε δεδομένη στιγμή, περίπου το 20% των νουκλεονίων στον πυρήνα είναι στην πραγματικότητα έξω από τα τροχιακά τους. Αντ ‘αυτού, συνδέονται με άλλα νουκλεόνια, αλληλεπιδρώντας σε «συσχετίσεις μικρής εμβέλειας». Κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νουκλεονίων είναι πολύ υψηλότερες από ότι συνήθως, είπε. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κουάρκ τυλίγονται μέσα από τα τοιχώματα των μεμονωμένων νουκλεονίων τους και αρχίζουν να αλληλεπιδρούν άμεσα και αυτές οι αλληλεπιδράσεις quark-quark είναι πολύ πιο ισχυρές από τις αλληλεπιδράσεις νουκλεονίου-νουκλεονίου.
Αυτές οι αλληλεπιδράσεις διασπούν τους τοίχους που διαχωρίζουν τα κουάρκ μέσα σε μεμονωμένα πρωτόνια ή νετρόνια, είπε ο Hen. Τα κουάρκ που αποτελούν ένα πρωτόνιο και τα κουάρκ που αποτελούν ένα άλλο πρωτόνιο αρχίζουν να καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο. Αυτό αναγκάζει τα πρωτόνια (ή τα νετρόνια, ανάλογα με την περίπτωση) να τεντώσουν και να θολώσουν. Αυξάνονται πολύ, αλλά για πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Αυτό στρεβλώνει το μέσο μέγεθος ολόκληρης της κοόρτης στον πυρήνα – παράγοντας το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Οι περισσότεροι φυσικοί τώρα αποδέχονται αυτή την ερμηνεία του αποτελέσματος της EMC, είπε ο Hen. Και ο Μίλερ, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Hen σε ορισμένες από τις βασικές έρευνες, συμφώνησε.
Αλλά όλοι δεν πιστεύουν ότι η ομάδα του Hen έχει επιλύσει το πρόβλημα. Ο Ian Cloët, πυρηνικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Illinois, δήλωσε ότι πιστεύει ότι το έργο του Hen δεν είναι σωστό.
«Νομίζω ότι το φαινόμενο EMC παραμένει άλυτο», ανέφερε ο Cloët στο Live Science. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το βασικό μοντέλο της πυρηνικής φυσικής αντιπροσωπεύει ήδη ένα μεγάλο μέρος του ζευγαριού μικρής εμβέλειας που περιγράφει ο Hen. Ωστόσο, «εάν χρησιμοποιήσετε αυτό το μοντέλο για να δοκιμάσετε το φαινόμενο EMC, δεν θα περιγράψετε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC), δεν υπάρχει καμία επιτυχημένη εξήγηση για το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, χρησιμοποιώντας αυτό το πλαίσιο.
Ο Hen και οι συνεργάτες του κάνουν ένα πειραματικό έργο και «πολύ καλή επιστήμη», είπε. Αλλά δεν έχουν επιλύσει πλήρως το πρόβλημα του ατομικού πυρήνα.
«Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι το παραδοσιακό μοντέλο πυρηνικής φυσικής … δεν μπορεί να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο EMC». «Πιστεύουμε τώρα ότι η εξήγηση πρέπει να προέρχεται από το ίδιο το QCD».
Το QCD σημαίνει κβαντική χρωμοδυναμική – το σύστημα των κανόνων που διέπουν τη συμπεριφορά των κουάρκ. Η μετάβαση από την πυρηνική φυσική στο QCD είναι λίγο σαν να βλέπαμε την ίδια εικόνα δύο φορές: μια φορά σε ένα τηλέφωνο πρώτης γενιάς – αυτή είναι η πυρηνική φυσική – και στη συνέχεια σε μια τηλεόραση υψηλής ανάλυσης – αυτή είναι η κβαντική χρωμοδυναμική. Η τηλεόραση υψηλής ανάλυσης προσφέρει πολύ περισσότερες λεπτομέρειες, αλλά είναι πολύ πιο περίπλοκη η κατασκευή.
Το πρόβλημα είναι ότι οι πλήρεις εξισώσεις QCD που περιγράφουν όλα τα κουάρκ σε έναν πυρήνα είναι πολύ δύσκολο να λυθούν. Οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές είναι περίπου 100 χρόνια μακριά από το να είναι αρκετά γρήγοροι για το έργο, εκτιμά ο Cloët. Και ακόμα κι αν οι υπερυπολογιστές ήταν αρκετά γρήγοροι σήμερα, οι εξισώσεις δεν έχουν προχωρήσει στο σημείο όπου θα μπορούσαν να τις συνδέσουμε σε έναν υπολογιστή, είπε.
Ωστόσο, είπε, είναι δυνατό να συνεργαστούμε με το QCD για να απαντήσουμε σε κάποιες ερωτήσεις. Και τώρα, αυτές οι απαντήσεις προσφέρουν διαφορετική εξήγηση για το φαινόμενο EMC: Θεωρία πυρηνικών μέσων πεδίων.
Διαφωνεί ότι το 20% των νουκλεονίων στον πυρήνα συνδέεται σε συσχετίσεις μικρής εμβέλειας. Τα πειράματα δεν το αποδεικνύουν, και υπάρχουν θεωρητικά προβλήματα με την ιδέα. Αυτό δείχνει ότι χρειαζόμαστε ένα διαφορετικό μοντέλο.
«Η εικόνα που έχω είναι που ξέρουμε, ότι μέσα σε έναν πυρήνα είναι αυτές οι πολύ ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις», ανέφερε ο Cloët. Αυτά είναι «ηλεκτρομαγνητικά πεδία, εκτός κι αν είναι ισχυρά πεδία δυνάμεων».
Τα πεδία λειτουργούν σε τόσο μικρές αποστάσεις, που είναι αμελητέου μεγέθους έξω από τον πυρήνα, αλλά είναι ισχυρά μέσα σε αυτό.
Στο μοντέλο του Cloët, αυτά τα πεδία δυνάμεων, τα οποία ονομάζει «πεδία» (για τη συνδυασμένη δύναμη που μεταφέρουν), παραμορφώνουν την εσωτερική δομή των πρωτονίων, των νετρονίων και των πυρίων (ένα είδος ισχυρού σωματιδίου που μεταφέρει δύναμη).
«Σαν να παίρνετε ένα άτομο και το βάζετε μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα αλλάξετε την εσωτερική δομή αυτού του ατόμου», δήλωσε ο Cloët.
Ο Cloët αναγνώρισε επίσης ότι είναι πιθανές συσχετίσεις μικρής εμβέλειας να εξηγήσουν πιθανό μέρος της επίδρασης της EMC, και ο Hen δήλωσε ότι τα πεδία πιθανό να διαδραματίζουν επίσης ρόλο.
Ο Hen και ο Cloët δήλωσαν ότι τα αποτελέσματα των πειραμάτων τα επόμενα χρόνια θα μπορούσαν να λύσουν την ερώτηση. Ο Hen ανέφερε ένα πείραμα που βρίσκεται σε εξέλιξη στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντών του Jefferson στη Βιρτζίνια, που θα μεταφέρει τους πυρήνες πιο κοντά, και θα επιτρέψει στους ερευνητές να τους παρακολουθήσουν να αλλάζουν. Ο Cloët δήλωσε ότι θέλει να δει ένα «πολωμένο πείραμα EMC» που θα διασπάσει το αποτέλεσμα με βάση την περιστροφή (ένα κβαντικό γνώρισμα) των εμπλεκόμενων πρωτονίων. Θα μπορούσε να αποκαλύψει αόρατες λεπτομέρειες σχετικά με το αποτέλεσμα που θα μπορούσε να βοηθήσει υπολογισμούς, είπε.
Και οι τρεις ερευνητές τόνισαν ότι η συζήτηση είναι φιλική.
«Είναι υπέροχο, γιατί σημαίνει ότι συνεχίζουμε να κάνουμε πρόοδο», δήλωσε ο Miller. Το γεγονός ότι υπάρχουν δύο ανταγωνιστικές ιδέες σημαίνει ότι είναι συναρπαστικό και ζωντανό και τώρα έχουμε τελικά τα πειραματικά εργαλεία για την επίλυση αυτών των ζητημάτων».
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου