Om du kom ombord på Magic School Bus och började krympa - mindre än en myra eller en amoeba eller en enda cell, och sedan fortsatte att krympa tills enstaka atomer var lika stora som hela världar, och till och med deras beståndsdelar tornade över dig - skulle du gå in i en värld som bubblar av enorma, motstridiga tryck.
I mitten av en proton skulle ett tryck som är större än det som finns i en neutronstjärna slänga dig ut mot partikelns kant. Men vid protonens yttre gränser skulle en jämn och motsatt kraft skjuta dig mot protonens centrum. Längs vägen skulle du bli buffrad av i sidled rörliga skjuvkrafter som överträffar allt som någon person någonsin kommer att uppleva under sin livstid.
En ny artikel, publicerad 22 februari i tidskriften Physical Review Letters, erbjuder den mest fullständiga beskrivningen än av konkurrerande tryck inuti en proton, inte bara i fråga om dess kvarkar - partiklarna som ger en proton sin massa - utan dess gluoner, de masslösa partiklarna som binder samman dessa kvarkar.
Detta bubblande, kokande kvanttillstånd
Enkla beskrivningar av protoner involverar bara tre kvarkar som hålls samman av ett gäng gluoner. Men dessa beskrivningar är ofullständiga, säger studiens medförfattare Phiala Shanahan, en fysiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Protonen består av en massa gluoner och sedan faktiskt ett gäng kvarkar," berättade Shanahan till Live Science. "Inte bara tre. Det finns tre huvudkvarkar, och sedan valfritt antal kvark-antikvarkpar som dyker upp och försvinner ... och det är alla de komplicerade interaktionerna i detta bubblande, kokande kvanttillstånd som genererar trycket."
Shanahan och medförfattaren William Detmold, som också är fysiker vid MIT, fann att gluoner producerar ungefär dubbelt så mycket tryck som kvarkarna i en proton, och att detta tryck är fördelat över ett bredare område än tidigare känt. De fann att ett protons totala tryck toppar vid 100 decillioner (eller 1 med 35 nollor efter det) pascaler - eller ungefär 260 sextillioner (eller 26 med 22 nollor efter det) gånger trycket i mitten av jorden.
Kritiskt pekar trycket i två olika riktningar.
"Det finns en region med positivt tryck så det måste också finnas en region med negativt tryck," sade hon. "Om det bara fanns ett område med positivt tryck skulle protonen fortsätta att expandera och det skulle inte vara stabilt."
En mycket stor beräkning
Men lika enormt som dessa tryck är, det finns inget sätt för forskare att direkt mäta dem under de flesta omständigheter. För att undersöka protonernas inre bombarderar forskare dem med jämnare elektroner vid mycket höga energier. I processen ändrar de protonerna. Inget känt experiment kan avslöja hur det är i en proton vid de låga energierna de brukar uppleva.
Så forskare litar på teorin om Quantum Chromodynamics (QCD) - som beskriver kvarkar och de starka kraftbärande gluonerna som binder dem samman. Forskare vet att QCD fungerar eftersom högenergiexperiment utför sina förutsägelser, sade Detmold. Men vid låga energier måste de lita på matte och beräkningar.
"Tyvärr är det mycket svårt att studera analytiskt och skriva ner ekvationer med penna och papper," sade Shanahan.
Istället vänder forskare sig till superdatorer som nätverk tusentals processorkärnor tillsammans för att lösa komplicerade ekvationer.
Även med två superdatorer som arbetade tillsammans tog beräkningarna ungefär ett år, sade hon.
Shanahan och Detmold bröt protonen i sina olika dimensioner (tre för rymden och en för tid) för att förenkla problemet superdatorerna var tvungna att lösa.
I stället för ett enda nummer skulle den resulterande tryckkartan se ut som ett fält med pilar, alla olika storlekar och peka i olika riktningar.
Så svaret på frågan, "Vad är trycket inuti en proton?" beror mycket på vilken del av protonen du frågar om.
Det beror också på protonens radie. Om protoner är påsar med gluoner och kvarkar, växer och krymper dessa påsar beroende på de andra partiklarna som verkar på dem. Så Shanahan och Detmolds resultat kokar inte ner till ett enda nummer.
Men nu är våra kartor över ytterligheterna i alla dessa små, kokande världar inuti oss mycket livligare.
