«Визуализация протона» — инновационная анимация физиков по-новому изображает субатомный мир

Сотрудничество между искусством и наукой проверяет пределы возможностей визуальных технологий.

Попробуйте представить протон — крошечную положительно заряженную частицу внутри атомного ядра, — и вы можете представить себе знакомую схему из учебника: связку бильярдных шаров, представляющих кварки и глюоны.

От модели твердой сферы, впервые предложенной Джоном Дальтоном в 1803 году, до квантовой модели, выдвинутой Эрвином Шредингером в 1926 году, существует легендарная хронология попыток физиков визуализировать невидимое.

Теперь профессор физики Массачусетского технологического института Ричард Милнер, физики Лаборатории Джефферсона Рольф Энт и Рик Йошида, режиссеры-документалисты Массачусетского технологического института Крис Бобел и Джо Макмастер, а также Джеймс ЛаПланте из Sputnik Animation объединились, чтобы по-новому изобразить субатомный мир.

Представленная Центром искусств, науки и технологий Массачусетского технологического института (CAST) и Лабораторией Джефферсона, “Визуализация протона” представляет собой оригинальную анимацию протона, предназначенную для использования в обучении.

В дополнение к анимации в настоящее время снимается короткометражный документальный фильм о процессе сотрудничества.

Для начала физики подумали, что анимация станет эффективным средством для объяснения науки, лежащей в основе Электронно—ионного коллайдера (Electron-Ion Collider, EIC), нового ускорителя частиц, за который давно выступают многие преподаватели Массачусетского технологического института.

Более того, до сих пор изображения протона по своей сути были ограничены и не могли изобразить движение кварков и глюонов.

“Основные части физики включают анимацию, цвет, аннигиляцию и исчезновение частиц, квантовую механику, теорию относительности. Это почти невозможно передать без анимации”, — говорят ученые.

В феврале 2020 года аниматор Джеймс ЛаПланте пригласил ученых и кинематографистов в свою студию, чтобы поделиться первой идеей. Хотя понимание мира квантовой физики представляло собой уникальную задачу, он объясняет: “Одно из моих преимуществ заключается в том, что я не имею научного образования. Моя цель всегда состоит в том, чтобы разобраться в науке, а затем выяснить: ”Хорошо, хорошо, на что это похоже?»»

Глюоны, например, были описаны как пружины, эластики и вакуумы. Джеймс ЛаПланте представил себе частицу, которая, как считалось, удерживает кварки вместе, в виде ванны со слизью. Если вы засовываете сжатый кулак внутрь и пытаетесь его разжать, вы создаете вакуум воздуха, что затрудняет разжимание кулака, потому что окружающий материал хочет втянуть его внутрь.

ЛаПланте также был вдохновлен использовать свое 3D-программное обеспечение, чтобы “заморозить время” и облететь неподвижный протон, только для того, чтобы физики сообщили ему, что такая интерпретация была неточной, основанной на существующих данных. Ускорители частиц могут обнаруживать только двумерный срез.

На самом деле трехмерные данные — это то, что ученые надеются получить на следующем этапе экспериментов. Все они столкнулись с одной и той же стеной — и с одним и тем же вопросом, — несмотря на то, что подходили к теме совершенно по-разному.

“Мое искусство на самом деле связано с ясностью общения и попыткой свести сложную науку к чему-то понятному”, — говорит Джеймс ЛаПланте. Как и в науке, неправильное понимание вещей часто является первым шагом его творческого процесса. Тем не менее, первоначальная попытка анимации имела успех у физиков, и они доработали проект.

“Есть две основные кнопки, которые экспериментаторы могут нажимать, когда мы рассеиваем электрон от протона при высокой энергии”, — объясняет Ричард Милнер, очень похоже на пространственное разрешение и выдержку в фотографии. “Эти переменные камеры имеют прямые аналогии на математическом языке физиков, описывающих это рассеяние”.

Поскольку “время экспозиции”, или Бьоркен-Х, которое в КХД является физической интерпретацией доли импульса протона, переносимого одним кварком или глюоном, уменьшается, вы видите протон как почти бесконечное число глюонов и кварков, движущихся очень быстро.

Если Бьоркен-Х увеличен, вы увидите три капли, или валентные кварки, в красном, синем и зеленом цветах. По мере увеличения пространственного разрешения протон превращается из сферического объекта в объект в форме блина.

“Мы думаем, что изобрели новый инструмент”, — говорит Ричард Милнер. “Есть фундаментальные научные вопросы: Как распределяются глюоны в протоне? Они одинаковы? Они слипаются? Мы не знаем. Это основные, фундаментальные вопросы, которые мы можем оживить. Мы думаем, что это инструмент для общения, понимания и научных дискуссий».

“Это только начало. Я надеюсь, что люди увидят это по всему миру, и они получат вдохновение ”.