Hvis du kom ombord Magic School Bus og begynte å krympe - mindre enn en maur eller en amøbe eller en enkelt celle, og så fortsatte å krympe til enkeltatomer var like store som hele verdener, og til og med bestanddelene deres tårnet over deg - ville du inn i en verden boblende med enorme, motstridende press.
I midten av et proton ville et trykk som er større enn det som finnes inne i en nøytronstjerne, slenge deg ut mot partikkelens kant. Men ved ytre grenser for protonet ville en lik og motsatt styrke presse deg mot protonets sentrum. Underveis vil du bli buffet av sideveis bevegelige skjærkrafter som langt overgår noe enhver person noen gang vil oppleve i løpet av livet.
En ny artikkel, publisert 22. februar i tidsskriftet Physical Review Letters, tilbyr den mest komplette beskrivelsen ennå av det konkurrerende trykket inne i en proton, ikke bare når det gjelder kvarkene - partiklene som gir en proton sin masse - men dens gluoner, de masseløse partiklene som binder disse kvarkene sammen.
Denne boblende, kokende kvantetilstanden
Enkle beskrivelser av protoner involverer bare tre kvarker som holdes sammen av en haug med gluoner. Men disse beskrivelsene er ufullstendige, sa studiens medforfatter Phiala Shanahan, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Protonen består av en haug med gluoner og deretter faktisk en haug med kvarker," sa Shanahan til Live Science. "Ikke bare tre. Det er tre hovedkvarker, og så et hvilket som helst antall kvark-antikarkpar som vises og forsvinner ... og det er alle de kompliserte interaksjonene i denne boblende, kokende kvantetilstand som genererer trykket."
Shanahan og medforfatter William Detmold, som også er fysiker ved MIT, fant at gluoner produserer omtrent dobbelt så mye trykk som kvarkene inne i en proton, og at dette trykket er fordelt over et større område enn tidligere kjent. De fant ut at et protons totale trykk topper ved 100 desillion (eller 1 med 35 nuller etter det) pascalene - eller omtrent 260 sextillion (eller 26 med 22 nuller etter det) ganger trykket midt på jorden.
Kritisk sett peker det trykket i to forskjellige retninger.
"Det er et område med positivt press, så det må også være et område med negativt press," sa hun. "Hvis det bare var et område med positivt trykk, ville protonet fortsatt å utvide seg, og det ville ikke være stabilt."
En veldig stor beregning
Men så enormt som presset er, er det ingen måte for forskere å direkte måle dem på under de fleste omstendigheter. For å undersøke interiøret i protoner, bombarderer forskere dem med enda tynnere elektroner med meget høye energier. I prosessen endrer de protonene. Ingen kjente eksperimenter kan avsløre hvordan det er i en proton på de lave energiene de vanligvis opplever.
Så forskere er avhengige av teorien om Quantum Chromodynamics (QCD) - som beskriver kvarker og de sterke kraftbærende gluonene som binder dem sammen. Forskere vet at QCD fungerer fordi høyenergi-eksperimenter utfører sine spådommer, sa Detmold. Men ved lave energier, må de stole på matte og beregninger.
"Dessverre er det veldig vanskelig å studere analytisk, og skrive ned ligninger med penn og papir," sa Shanahan.
I stedet henvender forskere seg til superdatamaskiner som nettverk tusenvis av prosessorkjerner sammen for å løse kompliserte likninger.
Selv med to superdatamaskiner som jobbet sammen, tok beregningene omtrent ett år, sa hun.
Shanahan og Detmold brøt protonen i sine forskjellige dimensjoner (tre for rom, og en for tid) for å forenkle problemet superdatamaskinerne måtte løse.
I stedet for et enkelt tall vil det resulterende trykk-kartet se ut som et felt med piler, alle forskjellige størrelser og peke i forskjellige retninger.
Så svaret på spørsmålet, "Hva er presset inne i en proton?" avhenger mye av hvilken del av protonet du spør om.
Det avhenger også av protonens radius. Hvis protoner er poser med gluoner og kvarker, vokser og krymper posene avhengig av de andre partiklene som virker på dem. Så Shanahan og Detmolds resultater koker ikke ned til et eneste tall.
Men nå er kartene våre over ytterpunktene i alle disse bittesmå, kokende verdenene inni oss mye mer livlige.
