कोई भी वास्तव में नहीं जानता कि परमाणु के अंदर क्या होता है। लेकिन वैज्ञानिकों के दो प्रतिस्पर्धी समूहों को लगता है कि उन्होंने इसका पता लगा लिया है। और दोनों यह साबित करने के लिए दौड़ रहे हैं कि उनकी अपनी दृष्टि सही है।
यहाँ हम निश्चित रूप से जानते हैं: परमाणु के बाहरी आवरण में "ऑर्बिटल्स" के चारों ओर इलेक्ट्रॉन। फिर पूरी खाली जगह है। और फिर, उस स्थान के केंद्र में, एक छोटा सा नाभिक है - प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक घना गाँठ जो परमाणु को उसके बड़े पैमाने पर देता है। उन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक साथ क्लस्टर करते हैं, जिसे मजबूत बल कहा जाता है। और उन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या निर्धारित करती है कि परमाणु लोहे या ऑक्सीजन या क्सीनन है, और क्या यह रेडियोधर्मी या स्थिर है।
फिर भी, कोई भी नहीं जानता कि उन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन (एक साथ नाभिक के रूप में जाना जाता है) एक परमाणु के अंदर कैसे व्यवहार करते हैं। एक परमाणु के बाहर, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निश्चित आकार और आकार होते हैं। उनमें से प्रत्येक क्वार्क नामक तीन छोटे कणों से बना है, और उन क्वार्क के बीच की बातचीत इतनी तीव्र है कि कोई भी बाहरी बल उन्हें विकृत करने में सक्षम नहीं होना चाहिए, नाभिक में कणों के बीच शक्तिशाली बल भी नहीं। लेकिन दशकों से, शोधकर्ताओं ने जाना कि सिद्धांत किसी तरह गलत है। प्रयोगों से पता चला है कि, एक नाभिक के अंदर, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जितना होना चाहिए, उससे कहीं अधिक बड़ा दिखाई देता है। भौतिकविदों ने दो प्रतिस्पर्धी सिद्धांत विकसित किए हैं जो उस अजीब बेमेल को समझाने की कोशिश करते हैं, और प्रत्येक के प्रस्तावक निश्चित हैं कि दूसरे गलत हैं। हालांकि, दोनों खेमे इस बात पर सहमत हैं कि सही जवाब जो भी हो, उसे अपने क्षेत्र से आगे आना होगा।
चूंकि कम से कम 1940 के दशक में, भौतिकविदों ने जाना है कि न्यूक्लियस के भीतर तंग छोटे ऑर्बिटल्स में न्यूक्लियंस चलते हैं, वाशिंगटन यूनिवर्सिटी के एक न्यूक्लियर भौतिक विज्ञानी गेराल्ड मिलर ने लाइव साइंस को बताया। उनके आंदोलनों में सीमित न्यूक्लियोन्स में बहुत कम ऊर्जा होती है। वे मजबूत शक्ति द्वारा नियंत्रित, बहुत अधिक उछाल नहीं करते हैं।
1983 में, न्यूक्लियर रिसर्च के लिए यूरोपीय संगठन (सर्न) के भौतिकविदों ने कुछ अजीब देखा: बीम्स के इलेक्ट्रॉनों ने लोहे को एक तरह से उछाल दिया, जो कि मुक्त प्रोटॉन से बाउंस करने के तरीके से बहुत अलग था। यह अनपेक्षित था; यदि हाइड्रोजन के अंदर प्रोटॉन लोहे के अंदर प्रोटॉन के समान आकार के होते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों को उसी तरह से उछाल देना चाहिए था।
पहले तो, शोधकर्ताओं को नहीं पता था कि वे क्या देख रहे थे।
लेकिन समय के साथ, वैज्ञानिकों का मानना था कि यह एक आकार का मुद्दा था। किसी कारण से, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन भारी नाभिक के अंदर कार्य करते हैं जैसे कि वे नाभिक के बाहर होने की तुलना में बहुत बड़े होते हैं। यूरोपीय मून सहयोग के बाद शोधकर्ताओं ने इस घटना को ईएमसी प्रभाव कहा है - जिस समूह ने गलती से इसे खोज लिया था. यह परमाणु भौतिकी के मौजूदा सिद्धांतों का उल्लंघन करता है।
या मुर्गी, एमआईटी के एक परमाणु भौतिक विज्ञानी, एक विचार है जो संभावित रूप से समझा सकता है कि क्या चल रहा है।
उन्होंने कहा कि क्वार्क, उप-परमाणु कण जो न्यूक्लियॉन बनाते हैं, एक दिए गए प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के भीतर दृढ़ता से बातचीत करते हैं, विभिन्न प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में क्वार्क एक दूसरे के साथ ज्यादा बातचीत नहीं कर सकते हैं, उन्होंने कहा। एक नाभिक के अंदर मजबूत बल इतना मजबूत होता है कि वह दूसरे नाभिक के लिए मजबूत बल धारण करने वाले नाभिक को ग्रहण कर लेता है।
"अपने कमरे में बैठे अपने दो दोस्तों से खिड़की बंद करके बात करने की कल्पना करो," हेन ने कहा।
कमरे में तीनों एक न्यूट्रॉन या प्रोटॉन के अंदर तीन क्वार्क हैं।
"एक हल्की हवा बाहर बह रही है," उन्होंने कहा।
वह हल्की हवा पास के नाभिकों के लिए प्रोटॉन या न्यूट्रॉन को पकड़े हुए बल है जो खिड़की से "बाहर" है। यहां तक कि अगर बंद खिड़की के माध्यम से थोड़ा घोंघा, हेन ने कहा, यह मुश्किल से आप को प्रभावित करेगा।
और जब तक नाभिक अपनी कक्षा में रहते हैं, यही स्थिति है। हालांकि, उन्होंने कहा, हाल के प्रयोगों से पता चला है कि किसी भी समय, एक नाभिक में लगभग 20% नाभिक वास्तव में अपने ऑर्बिटल्स के बाहर होते हैं। इसके बजाय, वे "कम दूरी के सहसंबंधों" में बातचीत करते हुए अन्य नाभिकों के साथ जुड़ जाते हैं। उन्होंने कहा कि उन परिस्थितियों में, नाभिकों के बीच बातचीत सामान्य से बहुत अधिक ऊर्जा है, उन्होंने कहा। ऐसा इसलिए है क्योंकि क्वार्क्स अपने व्यक्तिगत नाभिकों की दीवारों के माध्यम से प्रहार करते हैं और सीधे बातचीत करना शुरू करते हैं, और उन क्वार्क-क्वार्क इंटरैक्शन न्यूक्लियर-न्यूक्लियर इंटरैक्शन की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली हैं।
इन मुलाकातों से अलग-अलग प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के अंदर क्वार्क को अलग करने वाली दीवारें टूट जाती हैं, हेन ने कहा। क्वार्क एक प्रोटॉन बनाते हैं और क्वार्क एक और प्रोटॉन बनाते हैं जो एक ही स्थान पर कब्जा करना शुरू करते हैं। यह प्रोटॉन (या न्यूट्रॉन, जैसा कि मामला हो सकता है) खिंचाव और धब्बा का कारण बनता है, हेन ने कहा। वे बहुत कम विकसित होते हैं, बहुत कम समय के लिए। यह नाभिक में पूरे पलटन के औसत आकार को तोड़ता है - ईएमसी प्रभाव का उत्पादन करता है।
ज्यादातर भौतिकविदों ने ईएमसी प्रभाव की इस व्याख्या को स्वीकार किया, हेन ने कहा। और मिलर, जिन्होंने कुछ प्रमुख शोधों में हेन के साथ काम किया, सहमत हुए।
लेकिन हर किसी को नहीं लगता कि हेन के समूह ने इस समस्या पर काम किया है। इलिनोइस में आर्गोन नेशनल लैबोरेटरी के एक परमाणु भौतिक विज्ञानी इयान क्लोट ने कहा कि उन्हें लगता है कि हेन का काम निष्कर्ष निकालता है कि डेटा पूरी तरह से समर्थन नहीं करता है।
"मुझे लगता है कि EMC प्रभाव अभी भी अनसुलझा है," क्लो ने लाइव साइंस को बताया। ऐसा इसलिए है क्योंकि परमाणु भौतिकी का मूल मॉडल पहले से ही शॉर्ट-रेंज पेयरिंग हेन के बहुत सारे विवरणों के लिए जिम्मेदार है। फिर भी, "यदि आप EMC प्रभाव को देखने और देखने के लिए उस मॉडल का उपयोग करते हैं, तो आप EMC प्रभाव का वर्णन नहीं करेंगे। उस ढांचे का उपयोग करते हुए EMC प्रभाव का कोई सफल विवरण नहीं है। इसलिए मेरी राय में, अभी भी एक रहस्य है।"
हेन और उनके सहयोगी प्रायोगिक कार्य कर रहे हैं जो "बहादुर" और "बहुत अच्छा विज्ञान है," उन्होंने कहा। लेकिन यह परमाणु नाभिक की समस्या को पूरी तरह से हल नहीं करता है।
"क्या स्पष्ट है कि परमाणु भौतिकी के पारंपरिक मॉडल ... इस EMC प्रभाव की व्याख्या नहीं कर सकते," उन्होंने कहा। "हम अब सोचते हैं कि स्पष्टीकरण क्यूसीडी से ही आना चाहिए।"
क्यूसीडी क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के लिए खड़ा है - नियमों की प्रणाली जो क्वार्क के व्यवहार को नियंत्रित करती है। परमाणु भौतिकी से क्यूसीडी में स्थानांतरित करना दो बार एक ही तस्वीर को देखने जैसा है: एक बार पहली पीढ़ी के फ्लिप फोन पर - जो कि परमाणु भौतिकी है - और फिर एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीवी पर - क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स। उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीवी बहुत अधिक विस्तार प्रदान करता है, लेकिन इसे बनाने के लिए बहुत अधिक जटिल है।
समस्या यह है कि नाभिक में सभी क्वार्क का वर्णन करने वाले पूर्ण क्यूसीडी समीकरणों को हल करना बहुत मुश्किल है, क्लोएट और हेन ने कहा। आधुनिक सुपर कंप्यूटर कार्य के लिए पर्याप्त तेज़ होने से लगभग 100 साल दूर हैं, क्लोएट ने अनुमान लगाया। उन्होंने कहा कि भले ही आज सुपर कंप्यूटर काफी तेजी से आगे बढ़ रहे हैं, लेकिन समीकरण उस हद तक आगे नहीं बढ़ पाए हैं जहां आप उन्हें कंप्यूटर में प्लग कर सकते हैं।
फिर भी, उन्होंने कहा, कुछ सवालों के जवाब देने के लिए क्यूसीडी के साथ काम करना संभव है। और अभी, उन्होंने कहा, वे जवाब ईएमसी प्रभाव के लिए एक अलग स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं: परमाणु मतलब-फील्ड सिद्धांत।
वह इस बात से असहमत हैं कि नाभिक में 20% नाभिक छोटी दूरी के सहसंबंधों में बंधे हुए हैं। प्रयोगों ने यह साबित नहीं किया कि, उन्होंने कहा। और विचार के साथ सैद्धांतिक समस्याएं हैं।
उन्होंने कहा कि हमें एक अलग मॉडल की जरूरत है।
क्लोएट ने कहा, "मेरे पास जो चित्र है, हम जानते हैं कि एक नाभिक के अंदर ये बहुत मजबूत परमाणु बल हैं।" ये "विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों की तरह एक सा है, सिवाय इसके कि वे मजबूत बल वाले क्षेत्र हैं।"
खेत ऐसी छोटी दूरी पर संचालित होते हैं कि वे नाभिक के बाहर नगण्य परिमाण के होते हैं, लेकिन वे इसके अंदर शक्तिशाली होते हैं।
क्लोएट के मॉडल में, ये बल क्षेत्र, जिसे वह "माध्य क्षेत्र" कहते हैं (संयुक्त शक्ति वे ले जाते हैं) वास्तव में प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और पियोन (एक प्रकार का मजबूत बल-वहन करने वाला कण) की आंतरिक संरचना को ख़राब करते हैं।
"ठीक उसी तरह जैसे अगर आप एक परमाणु लेते हैं और आप इसे एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के अंदर रखते हैं, तो आप उस परमाणु की आंतरिक संरचना को बदल देंगे," क्लो ने कहा।
दूसरे शब्दों में, माध्य-क्षेत्र सिद्धांतवादी सोचते हैं कि सील किया गया कमरा हेन वर्णित है जिसकी दीवारों में छेद हैं, और हवा चारों ओर से क्वार्क को दस्तक देने के लिए बह रही है, उन्हें बाहर खींच रही है।
क्लोएट ने स्वीकार किया कि यह संभव है कि छोटी दूरी के सहसंबंध संभवतः ईएमसी प्रभाव के कुछ हिस्से की व्याख्या करते हैं, और हेन ने कहा कि खेतों की संभावना एक भूमिका भी निभाती है।
"सवाल है, जो हावी है," क्लो ने कहा।
क्लर के साथ भी बड़े पैमाने पर काम कर चुके मिलर ने कहा कि औसत क्षेत्र में सिद्धांत के अधिक अच्छी तरह से विकसित होने का फायदा है। लेकिन क्लो ने अभी तक सभी आवश्यक गणनाएं नहीं की हैं, उन्होंने कहा।
और अभी प्रायोगिक साक्ष्य के वजन से पता चलता है कि हेन तर्क से बेहतर है।
हेन और क्लोइट दोनों ने कहा कि अगले कुछ वर्षों में प्रयोगों के परिणाम सवाल हल कर सकते हैं। हेन ने वर्जीनिया में जेफरसन नेशनल एक्सेलेरेटर फैसिलिटी में एक प्रयोग का हवाला दिया, जो न्यूक्लियॉन्स को एक-दूसरे के करीब ले जाएगा, और शोधकर्ताओं को उन्हें देखने की अनुमति देगा। क्लो ने कहा कि वह एक "ध्रुवीकृत ईएमसी प्रयोग" देखना चाहती है जो शामिल प्रोटॉन के स्पिन (एक क्वांटम विशेषता) के आधार पर प्रभाव को तोड़ देगा। यह प्रभाव की अनदेखी विवरण प्रकट कर सकता है जो गणना की सहायता कर सकता है, उन्होंने कहा।
तीनों शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि बहस अनुकूल है।
"यह बहुत अच्छा है, क्योंकि इसका मतलब है कि हम अभी भी प्रगति कर रहे हैं," मिलर ने कहा। "आखिरकार, पाठ्यपुस्तक और गेंद के खेल में कुछ होने जा रहा है ... तथ्य यह है कि दो प्रतिस्पर्धी विचारों का मतलब है कि यह रोमांचक और जीवंत है। और अब अंत में हमारे पास इन मुद्दों को हल करने के लिए प्रयोगात्मक उपकरण हैं।"
