如果你登上魔法校车，开始缩小——比蚂蚁、变形虫或单个细胞还小，然后不断缩小，直到单个原子和整个世界一样大，甚至它们的组成粒子都高过你——你就会进入一个充满巨大、相互冲突的压力泡泡世界。在质子的中心，一个比中子星内部更大的压力会把你推向粒子边缘。但是在质子的外部极限，一个相等和相反的力会把你推向质子中心。在这个过程中，你会受到侧向移动的剪切力冲击，这是任何人一生中都不会经历的。
博科园-科学科普：2月22日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇新论文，提供了迄今为止对质子内部相互竞争压力的最完整描述。不仅是从夸克(赋予质子质量的粒子)的角度来描述，还从胶子(胶子是一种无质量的粒子，将这些夸克结合在一起)的角度来描述。该研究的合作者，麻省理工学院的物理学家Phiala Shanahan说：对质子简单描述只涉及由一群胶子组成的三夸克，但是这些描述是不完整的。质子是由一堆胶子和一堆夸克组成，不仅仅是三个。有三个主要的夸克，然后任意数量的夸克-反夸克对出现和消失。
图片：adison pangchai/Shutterstock
所有这些复杂的相互作用沸腾的量子态产生了压强沙纳汉和合著者威廉·德莫特(William Detmold)发现，胶子产生的压力大约是质子内部夸克产生的压力的两倍，而且这种压力分布的区域比以前所知的更广，质子内部最高压强是10^35帕斯卡左右，约为中子星中子星内部的的10倍。但是，尽管这些压力如此巨大，科学家在大多数情况下无法直接测量它们。为了探测质子的内部结构，科学家们以极高的能量用更小的电子轰击质子。在这个过程中，它们改变了质子。没有任何已知的实验能揭示质子在通常经历低能量状态下的内部情况。
核物理学家发现，质子的组成部分夸克在质子中心附近受到10^35帕斯卡的压力，大约是中子星中心压力的10倍。图片：DOE's Jefferson Lab
因此，科学家们依赖于量子色动力学(QCD)理论，该理论描述了夸克和将夸克和夸克结合在一起的强载力胶子。科学家们之所以知道QCD有效，是因为高能实验证实了它的预测。但是在低能量的情况下，必须相信数学和计算。奇怪的夸克和介子，解剖自然界最微小的粒子不幸的是，用纸和笔写下方程，很难进行分析研究。相反，研究人员转向将数千个处理器内核连在一起的超级计算机来解决复杂方程。即使有两台超级计算机一起工作，计算也花了大约一年的时间。
麻省理工学院物理学家首次计算出质子内部的压力分布，他们发现质子的高压核心向外推，而周围区域向内推。图片：Massachusetts Institute of Technology
为了简化超级计算机必须解决的问题，研究人员将质子分解成不同的维度(空间为3维，时间为1维)。生成的压力图不是单个数字，而是一个箭头区域，大小不同，指向不同的方向。所以这个问题的答案，质子内部的压强是多少？很大程度上取决于你问的是质子的哪一部分。它还取决于质子的半径。如果质子是胶子和夸克的袋子，这些袋子的大小取决于作用在它们上面的其他粒子。所以研究结果不能归结为一个单一的数字。但现在，那些微小、沸腾世界的极端图景要生动得多。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《物理评论快报》,《自然》
文:Live Science/Rafi Letzter
DOI:10.1038/s41586-018-0060-z
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