لا أحد يعرف حقيقة ما يحدث داخل الذرة. لكن مجموعتان متنافستان من العلماء يعتقدون أنهم اكتشفوا ذلك. وكلاهما يتسابقان ليثبتا أن رؤيتهما صحيحة.
إليك ما نعرفه على وجه اليقين: تدور الإلكترونات حول "المدارات" في الغلاف الخارجي للذرة. ثم هناك الكثير من المساحة الفارغة. وبعد ذلك ، في وسط هذه المساحة ، توجد نواة صغيرة - عقدة كثيفة من البروتونات والنيوترونات التي تعطي الذرة معظم كتلتها. تتجمع تلك البروتونات والنيوترونات معًا ، مقيدًا بما يسمى القوة القوية. وتحدد أعداد تلك البروتونات والنيوترونات ما إذا كانت الذرة هي الحديد أو الأكسجين أو الزينون ، وما إذا كانت مشعة أو مستقرة.
ومع ذلك ، لا أحد يعرف كيف تتصرف تلك البروتونات والنيوترونات (المعروفة باسم النوكليونات) داخل الذرة. خارج الذرة ، البروتونات والنيوترونات لها أحجام وأشكال محددة. يتكون كل منها من ثلاثة جسيمات أصغر تسمى الكواركات ، والتفاعلات بين تلك الكواركات شديدة لدرجة أنه لا ينبغي لأي قوة خارجية أن تكون قادرة على تشويهها ، ولا حتى القوى القوية بين الجسيمات في النواة. لكن لعقود ، عرف الباحثون أن النظرية خاطئة إلى حد ما. أظهرت التجارب أنه داخل النواة ، تبدو البروتونات والنيوترونات أكبر بكثير مما يجب أن تكون عليه. طور الفيزيائيون نظريتين متنافستين تحاولان تفسير عدم التطابق الغريب ، وأن مؤيدي كل منهما على يقين من أن الآخر غير صحيح. كلا المعسكرين يتفقان ، مع ذلك ، أنه مهما كانت الإجابة الصحيحة ، يجب أن تأتي من حقل خارج مجالهم.
قال عالم الفيزياء النووية بجامعة واشنطن ، جيرالد ميللر ، لـ Live Science منذ الأربعينيات على الأقل ، إن علماء النواة يتحركون في مدارات صغيرة ضيقة داخل النواة. النيوكليونات ، المحصورة في تحركاتها ، لديها طاقة قليلة جدًا. إنهم لا يرتدون كثيرًا ، مقيدين بالقوة القوية.
في عام 1983 ، لاحظ الفيزيائيون في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) شيئًا غريبًا: عوارض الإلكترونات ترتد عن الحديد بطريقة مختلفة تمامًا عن كيفية ارتدادها للبروتونات الحرة ، حسبما قال ميللر. كان هذا غير متوقع؛ إذا كانت البروتونات داخل الهيدروجين بنفس حجم البروتونات داخل الحديد ، فيجب أن تكون الإلكترونات قد ارتدت بنفس الطريقة تقريبًا.
في البداية ، لم يعرف الباحثون ما كانوا ينظرون إليه.
ولكن مع مرور الوقت ، اعتقد العلماء أنها قضية حجم. لسبب ما ، تعمل البروتونات والنيوترونات داخل النوى الثقيلة كما لو كانت أكبر بكثير مما كانت عليه عندما تكون خارج النواة. يطلق الباحثون على هذه الظاهرة تأثير EMC ، بعد تعاون Muon الأوروبي - المجموعة التي اكتشفتها عن طريق الخطأ. ينتهك النظريات الموجودة في الفيزياء النووية.
أو لدى Hen ، فيزيائي نووي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فكرة يمكن أن تشرح ما يمكن أن يحدث.
في حين أن الكواركات ، الجسيمات دون الذرية التي تتكون منها النيوكليونات ، تتفاعل بقوة داخل بروتون أو نيوترون معين ، فإن الكواركات في البروتونات والنيوترونات المختلفة لا يمكنها التفاعل كثيرًا مع بعضها البعض ، على حد قوله. القوة القوية داخل النوكليون قوية جدًا لدرجة أنها تحجب القوة القوية التي تمسك النوكليونات بالنيوكليونات الأخرى.
قال هين: "تخيل أنك تجلس في غرفتك تتحدث إلى اثنين من أصدقائك مع إغلاق النوافذ".
يتكون الثلاثي في الغرفة من ثلاثة كواركات داخل النيوترون أو البروتون.
وقال "نسيم خفيف يتطاير في الخارج".
هذا النسيم الخفيف هو القوة التي تحمل البروتون أو النيوترون إلى النوى القريبة التي تكون "خارج" النافذة. قال Hen أنه حتى لو تسلل القليل من النافذة المغلقة ، فإنه بالكاد سيؤثر عليك.
وطالما بقيت النويات في مداراتها ، هذا هو الحال. ومع ذلك ، قال ، أظهرت التجارب الأخيرة أنه في أي وقت ، حوالي 20 ٪ من النويات في النواة خارج الواقع في مداراتها. وبدلاً من ذلك ، يتم إقرانها مع نويات أخرى ، وتتفاعل في "ارتباطات قصيرة المدى". وقال إنه في ظل هذه الظروف ، تكون التفاعلات بين النيوكليونات طاقة أعلى بكثير من المعتاد. ذلك لأن الكواركات تنساب عبر جدران نوكليوناتها الفردية وتبدأ في التفاعل المباشر ، وتفاعلات الكوارك-كوارك هذه أقوى بكثير من تفاعلات النوكليون-نوكليون.
قال هين إن هذه التفاعلات تحطم الجدران التي تفصل الكواركات داخل البروتونات الفردية أو النيوترونات. الكواركات التي تتكون منها بروتون ، والكواركات التي تشكل بروتونًا آخر تبدأ في احتلال نفس المساحة. وقال هين إن هذا يؤدي إلى تمدد البروتونات (أو النيوترونات ، حسب الحالة) وتمويهها. إنها تنمو كثيرًا ، وإن كان ذلك لفترات قصيرة جدًا. يؤدي ذلك إلى تحريف متوسط حجم الفوج بأكمله في النواة - مما ينتج عنه تأثير التوافق الكهرومغناطيسي.
قال Hen أن معظم الفيزيائيين يقبلون الآن هذا التفسير لتأثير EMC. ووافق ميلر ، الذي عمل مع Hen في بعض الأبحاث الرئيسية ، على ذلك.
ولكن لا يعتقد الجميع أن مجموعة Hen قد نجحت في حل المشكلة. قال إيان كلوت ، الفيزيائي النووي في مختبر أرجون الوطني في إلينوي ، إنه يعتقد أن عمل هن يستخلص استنتاجات أن البيانات لا تدعم بشكل كامل.
قال كلوت لـ Live Science: "أعتقد أن تأثير EMC لا يزال بدون حل". ذلك لأن النموذج الأساسي للفيزياء النووية يمثل بالفعل الكثير من الاقتران قصير المدى الذي يصفه هن. ومع ذلك ، "إذا كنت تستخدم هذا النموذج لمحاولة النظر في تأثير EMC ، فلن تصف تأثير EMC. لا يوجد تفسير ناجح لتأثير EMC باستخدام هذا الإطار. لذا في رأيي ، لا يزال هناك لغز."
وقال إن هن ومعاونيه يقومون بعمل تجريبي "شجاع" و "علوم جيدة للغاية". لكنها لا تحل تمامًا مشكلة النواة الذرية.
وقال "ما هو واضح هو أن النموذج التقليدي للفيزياء النووية ... لا يمكن أن يفسر تأثير التوافق الكهرومغناطيسي". "نعتقد الآن أن التفسير يجب أن يكون قادم من QCD نفسه."
يشير QCD إلى الديناميكا الصبغية الكمومية - نظام القواعد التي تحكم سلوك الكواركات. إن التحول من الفيزياء النووية إلى QCD يشبه إلى حد ما النظر إلى الصورة نفسها مرتين: مرة على هاتف من الجيل الأول من الوجه - وهذا هو الفيزياء النووية - ثم مرة أخرى على تلفزيون عالي الدقة - وهذا هو الديناميكا اللونية الكمومية. يقدم التلفزيون عالي الدقة المزيد من التفاصيل ، ولكن بناءه أكثر تعقيدًا.
وقال كلوت وهين كلاهما إن المشكلة تكمن في أن معادلات QCD الكاملة التي تصف كل الكواركات في النواة يصعب حلها. ويقدر كلوت أن الحواسيب العملاقة الحديثة تبعد حوالي 100 عام عن السرعة الكافية للمهمة. وقال ، حتى لو كانت أجهزة الكمبيوتر العملاقة سريعة بما يكفي اليوم ، فإن المعادلات لم تتقدم إلى النقطة التي يمكنك توصيلها بالكمبيوتر.
مع ذلك ، قال إنه من الممكن العمل مع شركة QCD للإجابة على بعض الأسئلة. وفي الوقت الحالي ، قال ، إن تلك الإجابات تقدم تفسيرًا مختلفًا لتأثير التوافق الكهرومغناطيسي: نظرية المجال النووي.
لا يوافق على أن 20٪ من النويات في النواة مرتبطة في ارتباطات قصيرة المدى. وقال إن التجارب لا تثبت ذلك. وهناك مشاكل نظرية في الفكرة.
وقال إن ذلك يشير إلى أننا بحاجة إلى نموذج مختلف.
وقال كلويت "الصورة التي لدي هي أننا نعلم أنه داخل النواة توجد هذه القوى النووية القوية للغاية". هذه "تشبه إلى حد ما المجالات الكهرومغناطيسية ، باستثناء أنها حقول قوة قوية."
تعمل الحقول على مسافات صغيرة لدرجة أنها لا تكاد تذكر خارج النواة ، لكنها قوية بداخلها.
في نموذج كلويت ، فإن حقول القوة هذه ، التي يسميها "الحقول المتوسطة" (للقوة المشتركة التي تحملها) تشوه في الواقع البنية الداخلية للبروتونات والنيوترونات والبليون (نوع من الجسيمات القوية التي تحمل القوة).
قال كلويت: "تمامًا كما لو أخذت ذرة ووضعتها داخل مجال مغناطيسي قوي ، ستغير البنية الداخلية لتلك الذرة".
وبعبارة أخرى ، يعتقد منظرو المجال المتوسط أن الغرفة المغلقة المغلقة التي وصفها هن بها ثقوب في جدرانه ، والرياح تهب من أجل ضرب الكواركات حولها ، وتمديدها.
اعترف كلوت أنه من المحتمل أن تفسر الارتباطات قصيرة المدى جزءًا من تأثير EMC ، وقال Hen إن الحقول المحتملة تلعب دورًا أيضًا.
قال "السؤال هو الذي يسيطر".
قال ميللر ، الذي عمل أيضًا على نطاق واسع مع Cloët ، أن المجال المتوسط يتميز بكونه أكثر تأسيساً من الناحية النظرية. وقال إن كلويت لم يقم بعد بجميع الحسابات اللازمة.
وفي الوقت الحالي ، يشير وزن الأدلة التجريبية إلى أن Hen لديها الحجة الأفضل.
قال كل من Hen و Cloët أن نتائج التجارب في السنوات القليلة المقبلة يمكن أن تحل السؤال. واستشهد هين بتجربة جارية في مرفق جيفرسون الوطني للمسرعات في فيرجينيا ستعمل على تقريب النيوكليونات من بعضها البعض شيئًا فشيئًا والسماح للباحثين بمشاهدتها وهي تتغير. قال كلوت إنه يريد أن يرى "تجربة EMC مستقطبة" من شأنها أن تفكك التأثير بناءً على دوران (سمة كمية) للبروتونات المعنية. وقال إنه قد يكشف تفاصيل غير مرئية عن التأثير الذي يمكن أن يساعد في الحسابات.
أكد جميع الباحثين الثلاثة أن النقاش ودي.
قال ميللر "إنه أمر رائع ، لأنه يعني أننا ما زلنا نحرز تقدمًا". "في نهاية المطاف ، سيكون هناك شيء ما في الكتاب المدرسي وتنتهي لعبة الكرة ... حقيقة وجود فكرتين متنافستين تعني أنها مثيرة ونابضة بالحياة. والآن لدينا في النهاية الأدوات التجريبية لحل هذه المشكلات."
