Hvis du kom ombord på Magic School Bus og begyndte at krympe - mindre end en maur eller en amøbe eller en enkelt celle, og derefter fortsatte med at skrumpe indtil enkeltatomer var så store som hele verdener, og endda deres bestanddelspartikler tårnede over dig - ville du ind i en verden boblende med enorme, modstridende pres.
I midten af en proton ville et tryk, der er større end det, der findes i en neutronstjerne, smide dig ud mod partiklens kant. Men ved protonens ydre grænser, vil en lige og modsatrettet styrke skubbe dig mod protonets centrum. Undervejs vil du blive buffet af sideværts bevægelige forskydningskræfter, der langt overstiger alt, hvad enhver person nogensinde vil opleve i deres levetid.
En ny artikel, der blev offentliggjort 22. februar i tidsskriftet Physical Review Letters, tilbyder den mest komplette beskrivelse endnu af det konkurrerende pres inde i en proton, ikke kun med hensyn til dets kvarker - partiklerne, der giver en proton dens masse - men dens gluoner, de masseløse partikler, der binder disse kvarker sammen.
Denne boblende, kogende kvantetilstand
Enkle beskrivelser af protoner involverer kun tre kvarker, der holdes sammen af en masse gluoner. Men disse beskrivelser er ufuldstændige, sagde medforfatter Phiala Shanahan, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Protonen består af en masse gluoner og derefter faktisk en masse kvarker," fortalte Shanahan til Live Science. "Ikke bare tre. Der er tre hovedkvarker, og så et vilkårligt antal kvark-antikarkpar, der vises og forsvinder ... og det er alle de komplicerede interaktioner i denne boblende, kogende kvantetilstand, der genererer trykket."
Shanahan og medforfatter William Detmold, der også er fysiker hos MIT, fandt, at gluoner producerer cirka dobbelt så meget tryk som kvarkerne i en proton, og at dette tryk er fordelt over et bredere område end tidligere kendt. De fandt ud af, at et protons samlede tryk topper ved 100 decillion (eller 1 med 35 nuller efter det) pascaler - eller ca. 260 sextillion (eller 26 med 22 nuller efter det) gange trykket i Jordens centrum.
Kritisk peger dette tryk i to forskellige retninger.
"Der er et område med positivt pres, så der skal også være et område med negativt pres," sagde hun. "Hvis der kun var et område med positivt pres, ville protonen fortsætte med at ekspandere, og det ville ikke være stabilt."
En meget stor beregning
Men så stort som det pres er, er der ingen måde for forskere at måle dem direkte under de fleste omstændigheder. For at undersøge det indre af protoner bombarderer forskere dem med endnu tyndere elektroner ved meget høje energier. I processen ændrer de protoner. Intet kendt eksperiment kan afsløre, hvordan det er inde i en proton ved de lave energier, de normalt oplever.
Så videnskabsmænd stole på teorien om Quantum Chromodynamics (QCD) - som beskriver kvarker og de stærke kraftbærende gluoner, der binder dem sammen. Forskere ved, at QCD fungerer, fordi højenergi-eksperimenter udfører sine forudsigelser, sagde Detmold. Men ved lave energier er de nødt til at stole på matematik og beregninger.
"Desværre er det meget svært at studere analytisk og nedskrive ligninger med pen og papir," sagde Shanahan.
I stedet vender forskere sig til supercomputere, der netværk tusinder af processor-kerner sammen for at løse komplicerede ligninger.
Selv med to supercomputere, der arbejdede sammen, tog beregningerne cirka et år, sagde hun.
Shanahan og Detmold brækkede protonen i dens forskellige dimensioner (tre til plads og en til tid) for at forenkle problemet supercomputere måtte løse.
I stedet for et enkelt tal ville det resulterende trykkort se ud som et felt med pile, alle forskellige størrelser og pege i forskellige retninger.
Så svaret på spørgsmålet, "Hvad er presset inde i en proton?" afhænger meget af, hvilken del af protonen du spørger om.
Det afhænger også af protonens radius. Hvis protoner er poser med gluoner og kvarker, vokser de og krymper afhængigt af de andre partikler, der virker på dem. Så Shanahan og Detmolds resultater koger ikke ned til et enkelt tal.
Men nu er vores kort over ekstremiteterne i alle disse små, kogende verdener inde i os meget mere levende.
