Що приховує атом: Як вчені намагаються зрозуміти його структуру

Опубликованно 03.01.2020 12:06

Ніхто насправді не знає, що відбувається всередині атома. Але дві конкуруючі групи вчених думають, що вони зрозуміли це. І обидва прагнуть довести, що їх власне бачення вірно.

Ось що ми знаємо напевно: електрони проникають навколо "орбіталей" у зовнішній оболонці атома. І потім, прямо в центрі цього простору, є крихітне ядро - щільний вузол протонів і нейтронів, які дають атому більшу частину його маси. Ці протони і нейтрони збираються разом. І кількість цих протонів і нейтронів визначає, чи є атом залізом, киснем або ксеноном, і є він радіоактивним або стабільним.

Тим не менше, ніхто не знає, як ці протони і нейтрони (разом відомі як нуклони) ведуть себе всередині атома. Поза атома протони і нейтрони мають певні розміри і форми. Кожна з них складається з трьох більш дрібних часток, названих кварками, і взаємодії між цими кварками настільки інтенсивні, що ніяка зовнішня сила не може деформувати їх, навіть потужні сили між частинками в ядрі. Але протягом десятиліть дослідники знали, що теорія в деякому роді невірна. Експерименти показали, що всередині ядра протони і нейтрони здаються набагато більшими, ніж вони повинні бути. Фізики розробили дві конкуруючі теорії, які намагаються пояснити це дивне невідповідність, і прихильники кожної з них абсолютно впевнені, що інша неправильна. Однак обидва табори згодні з тим, що який би не був правильну відповідь, він повинен виходити з галузі, що виходить за межі їхніх власних.

Принаймні, з 1940-х років фізики знали, що нуклони рухаються по вузьких маленьким орбітах всередині ядра, сказав Жиральд Міллер, фізик-ядерник з Вашингтонського університету, в інтерв'ю журналу Live Science. Нуклони, обмежені в своїх рухах, мають дуже мало енергії. Вони не тікають, додержуючись силою.

У 1983 році фізики з Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) помітили щось дивне: пучки електронів відскакували від заліза не так, як вони відскакували від вільних протонів. Це було несподівано; якби протони водню всередині були того ж розміру, що і протони всередині заліза, електрони повинні були відскочити майже таким же чином.

Але з часом вчені прийшли до висновку, що це проблема розміру. З якоїсь причини протони та нейтрони всередині важких ядер діють так, як ніби вони набагато більше, ніж коли вони знаходяться поза ядер. Дослідники називають це явище ефектом ЕМС. Це порушує існуючі теорії ядерної фізики.

Ор Хен, фізик-ядерник з Массачусетського технологічного інституту, має ідею, яка потенційно може пояснити, що відбувається.

За його словами, в той час як кварки, субатомні частинки, які складають нуклони, сильно взаємодіють всередині протона або нейтрона, кварки в різних протонах і нейтронах не можуть взаємодіяти один з одним. Сила всередині нуклона настільки сильна, що затьмарює силу, яка утримує нуклони в інших нуклонах.

"Уяви, що ти сидиш в своїй кімнаті і розмовляєш з двома твоїми друзями з закритими вікнами", - сказала Хен.

Тріо в кімнаті - це три кварка всередині нейтрона або протона. На вулиці дме легкий вітерець. Цей легкий вітерець - це сила, що утримує протон або нейтрон в сусідніх нуклонах, які перебувають "за межами" вікна. Хен сказав, що навіть якщо трохи пробратися через закрите вікно, це навряд чи вплине на тебе.

І поки нуклони залишаються на своїх орбіталях, це так. Однак, за його словами, нещодавні експерименти показали, що в будь-який момент часу близько 20% нуклонів у ядрі фактично перебувають за межами своїх орбіталей. Замість цього вони в парі з іншими нуклонами, взаємодіючи в "корреляциях ближньої дії". У цих обставинах взаємодії між нуклонами мають набагато більшу енергію, ніж зазвичай. Це тому, що кварки протикають стінки своїх окремих нуклонів і починають безпосередньо взаємодіяти, і ці взаємодії між кварками набагато більш могутні, ніж взаємодії нуклонів з нуклонами.

Ці взаємодії руйнують стіни, що розділяють кварки всередині окремих протонів або нейтронів, сказав Хен. Кварки, складові один протон, і кварки, складові інший протон, починають займати одне і те ж простір. Це змушує протони (або нейтрони, в залежності від обставин) розтягуватися і розмиватися, сказав Хен. Вони сильно зростають, хоча і протягом дуже коротких періодів часу. Це спотворює середній розмір усієї когорти в ядрі, створюючи ЕМС-ефект.

За словами Хена, більшість фізиків в даний час приймають цю інтерпретацію ефекту ЕМС. І Міллер, який працював з Хен в деяких ключових дослідженнях, погодився.

Але не всі думають, що в групі Хена проблема вирішена. Ян Клот, фізик-ядерник в Аргоннської національної лабораторії в Іллінойсі, сказав, що він вважає, що робота Хена не повністю підтверджує теорію.

"Я думаю, що ефект електромагнітної сумісності все ще не вирішено", - сказав Клет. "Це тому, що базова модель ядерної фізики вже враховує безліч пар ближньої дії, описаних Хен. Тим не менш, «якщо ви скористаєтеся цією моделлю, щоб спробувати поглянути на ефект ЕМС, ви не будете описувати ефект EMC. Немає успішного пояснення ефекту ЕМС з використанням цієї платформи. Так що, на мій погляд, все ще залишається загадкою".

"Ясно, що традиційна модель ядерної фізики... не може пояснити цей ефект ЕМС", - сказав він. "Тепер ми думаємо, що пояснення повинне виходити від самої КХД".

КХД означає квантову хромодинамику - систему правил, що керують поведінкою кварків. Перехід від ядерної фізики до КХД - це все одно, що двічі дивитися на одну і ту ж картинку: один раз на телефон першого покоління - це ядерна фізика, а потім знову на телевізор з високою роздільною здатністю - це квантова хромодинаміка. Телевізор з високим дозволом пропонує набагато більше деталей, але його складніше побудувати.

Проблема полягає в тому, що повні рівняння КХД, що описують всі кварки в ядрі, занадто складні для вирішення, сказали Клет і Хен. За оцінками Клота, сучасні суперкомп'ютери знаходяться на відстані близько 100 років від того, щоб бути досить швидкими для виконання цього завдання. І навіть якщо б суперкомп'ютери були досить швидкими сьогодні, рівняння не досягли такого рівня, коли ви могли б підключити їх до комп'ютера, сказав він.

Тим не менш, за його словами, з КХД можна працювати, щоб відповісти на деякі питання. І прямо зараз, за його словами, ці відповіді пропонують інше пояснення ефекту електромагнітної сумісності: теорія ядерного середнього поля.

Поля працюють на таких крихітних відстанях, що вони незначні поза ядра, але вони потужні всередині нього.

У моделі Клота ці силові поля, які він називає «середніми полями» (для об'єднаної сили, яку вони несуть), фактично деформують внутрішню структуру протонів, нейтронів і півоній (тип сильної несучої силу частинки).

"Точно так само, як якщо ви візьмете атом і помістіть його в сильне магнітне поле, ви зміните внутрішню структуру цього атома", - сказав Клоэт.

Іншими словами, теоретики середнього поля вважають, що в закритій кімнаті, описаної Хеном, в стінах є дірки, і з них дме вітер, збиваючи кварки і розтягуючи їх.

Клет визнав, що можливі кореляції на малих відстанях, ймовірно, пояснюють певну частину ефекту ЕМС, і Хен вважає, що середні поля, ймовірно, теж грають роль.

Міллер, який також багато працював з Клетом, сказав, що теорія середнього поля має перевагу в тому, що воно більш глибоко обґрунтоване. Але Клет ще не зробив всі необхідні обчислення.

І прямо зараз маса експериментальних доказів говорить про те, що у Хена є кращий аргумент.

Хен і Клоет обидва сказали, що результати експериментів в найближчі кілька років можуть вирішити це питання. Хен процитував експеримент, що проводиться в Національному ускорительном центрі ім. Джефферсона у Вірджинії, який крок за кроком буде зближувати нуклони і дозволяти дослідникам спостерігати за їхніми змінами. Клоет сказав, що хоче побачити "експеримент з поляризованої ЕМС", який зруйнує ефект, заснований на спині (квантової характеристиці) залучених протонів. Це може розкрити невидимі деталі ефекту, який міг би допомогти розрахунками, сказав він.

Всі три дослідника підкреслили, що дискусія дружня.

"Це здорово, тому що це означає, що ми все ще робимо успіхи", - сказав Міллер. "В кінці кінців, що в підручнику. Факт, що є дві конкуруючі ідеї, означає, що це захоплююче і яскраво. І тепер, нарешті, у нас є експериментальні інструменти для вирішення цих проблем".

Нагадаємо, раніше повідомлялося, що атом вдалося зняти на звичайну камеру.

Хочете знати важливі та актуальні новини раніше за всіх? Підписуйтесь на Bigmir)net на Facebook і Telegram.

Категория: Технологии