Οι φυσικοί ανακαλύπτουν κβαντικά σωματίδια που παραβιάζουν τους νόμους της πραγματικότητας

Αυτή η απλή διαίρεση αρχίζει να καταρρέει σε συστήματα χαμηλότερων διαστάσεων. Από τη δεκαετία του 1970, οι επιστήμονες έχουν προβλέψει την ύπαρξη ενός τρίτου τύπου σωματιδίων γνωστών ως ανιόντων, τα οποία βρίσκονται κάπου ανάμεσα σε μποζόνια και φερμιόνια. Το 2020, οι ερευνητές παρατήρησαν πειραματικά αυτά τα ασυνήθιστα σωματίδια στα όρια ενός υπερψυγμένου, έντονα μαγνητισμένου, πάχους ενός ατόμου (δηλαδή δισδιάστατου) ημιαγωγού.

Τώρα, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) και το Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα έχουν προχωρήσει περαιτέρω την ιδέα. Σε δύο δημοσιευμένες ερευνητικές εργασίες Στη φυσική εξέτασηΗ ομάδα εντόπισε ένα μονοδιάστατο σύστημα ικανό να υποστηρίξει οποιοδήποτε και ερεύνησε τη θεωρητική συμπεριφορά των σωματιδίων.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον έλεγχο μεμονωμένων σωματιδίων μέσα σε υπερψυχρά πυρηνικά συστήματα μπορεί να καταστήσουν αυτές τις έννοιες δόκιμες σε πραγματικά εργαστηριακά πειράματα.

“Κάθε σωματίδιο στο σύμπαν μας φαίνεται να ταιριάζει αυστηρά σε δύο κατηγορίες: μποσονικό ή φερμιονικό. Γιατί δεν υπάρχουν άλλα;” ρωτά ο καθηγητής Thomas Busch της Μονάδας Κβαντικών Συστημάτων του OIST. «Με αυτά τα έργα, ανοίξαμε τώρα την πόρτα για τη βελτίωση της κατανόησής μας για τις θεμελιώδεις ιδιότητες του κβαντικού κόσμου και είναι συναρπαστικό να βλέπουμε πού μας οδηγεί η θεωρητική και η πειραματική φυσική από εδώ».

Γιατί τα κβαντικά σωματίδια χωρίζονται σε δύο ομάδες;

Η διαφορά μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων έρχεται στο τι συμβαίνει όταν δύο πανομοιότυπα σωματίδια αλλάζουν θέση. Σε τρεις διαστάσεις, οι δοκιμές δείχνουν μόνο δύο αποτελέσματα. Είτε το σύστημα παραμένει αμετάβλητο, που είναι η συμπεριφορά των μποζονίων, είτε το σύμβολο αναστροφής του συστήματος, που συμβαίνει με τα φερμιόνια. Δεν φαίνεται να υπάρχει άλλη δυνατότητα.

Αυτή η συμπεριφορά συνδέεται με μια από τις πιο σημαντικές αρχές της κβαντικής φυσικής: τη μοναδικότητα. Στην καθημερινή ζωή, δύο πανομοιότυπα αντικείμενα μπορούν ακόμα να διακριθούν. Εάν, για παράδειγμα, δύο μάρμαρα είναι βαμμένα με διαφορετικά χρώματα, μπορείτε να παρακολουθήσετε ποιο από αυτά μετακινήθηκε. Τα κβαντικά σωματίδια δεν λειτουργούν με αυτόν τον τρόπο.

Δύο πανομοιότυπα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, δεν μπορούν να επισημανθούν χωριστά εάν ταιριάζουν όλες οι κβαντικές τους ιδιότητες. Η εναλλαγή τους δημιουργεί μια κατάσταση που δεν διακρίνεται φυσικά από την πραγματική κατάσταση, που σημαίνει ότι οι μετρήσιμες ιδιότητες του συστήματος πρέπει να παραμείνουν αμετάβλητες.

Ο Raúl Hidalgo-Sacoto, φοιτητής διδάκτορα στη μονάδα OIST, εξήγησε: «Δεδομένου ότι αυτή η ανταλλαγή δεν ισοδυναμεί με τίποτα, τα μαθηματικά στατιστικά στοιχεία που διέπουν το γεγονός που είναι γνωστό ως παράγοντας ανταλλαγής πρέπει να υπακούουν σε έναν γενικό κανόνα: το τετράγωνο του συντελεστή ανταλλαγής πρέπει να είναι ίσο με 1. Οι μόνοι δύο αριθμοί που ικανοποιούν αυτόν τον κανόνα και γιατί αυτός ο κανόνας δεν έχει μέρος του συντελεστή +1, αντιστοίχως, +1. ή το φερμιόνιο, για το οποίο Παράγοντας -1.”

Αυτές οι δύο οικογένειες σωματιδίων συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά. Τα μποζόνια φυσικά συσσωρεύονται και συμπεριφέρονται συλλογικά. Τα λέιζερ είναι ένα παράδειγμα, όπου φωτόνια του ίδιου μήκους κύματος (χρώμα) κινούνται συγχρονισμένα. Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein είναι άλλα, υπερψυχρά άτομα που καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση.

Τα φερμιόνια συμπεριφέρονται με τον αντίθετο τρόπο. Τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αντιστέκονται στο να μοιράζονται την ίδια κατάσταση. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι ένας λόγος που ο περιοδικός πίνακας περιέχει πολλά διαφορετικά στοιχεία.

Πώς τα χαμηλά επίπεδα αλλάζουν τους κβαντικούς κανόνες

Εάν η φύση επιτρέπει μόνο δύο τύπους σωματιδίων σε τρεις διαστάσεις, γιατί οι χαμηλότερες διαστάσεις μπορούν να δημιουργήσουν κάτι διαφορετικό;

Η απάντηση βρίσκεται στο πώς τα σωματίδια κινούνται το ένα γύρω από το άλλο. Σε συστήματα χαμηλών διαστάσεων, τα σωματίδια έχουν λιγότερες πιθανές διαδρομές. Καθώς ανταλλάσσουν μέρη, οι τροχιές τους συγχωνεύονται μέσα στο χώρο και το χρόνο. Σε αντίθεση με τις τρεις διαστάσεις, αυτές οι διαδρομές δεν μπορούν απλώς να επιλυθούν αργότερα. Ως αποτέλεσμα, η κατάσταση ανταλλαγής δεν είναι πλέον ισοδύναμη με την αρχική.

Ο Hidalgo-Sacoto συνεχίζει: “Σε χαμηλά επίπεδα, αυτή η ανταλλαγή δεν είναι τοπολογικά ισοδύναμη με τίποτα άλλο. Για να ικανοποιήσουμε τον νόμο της μοναδικότητας, χρειαζόμαστε παράγοντες ανταλλαγής σε ένα συνεχές εύρος, που εξαρτώνται από τις ακριβείς στροφές και στροφές του μονοπατιού.”

Αυτό ανοίγει την πόρτα σε οποιαδήποτε, σωματίδια των οποίων οι παράγοντες ανταλλαγής μπορούν να πάρουν τιμές πέρα ​​από το +1 ή το -1. Με άλλα λόγια, δεν είναι ούτε καθαρά μποζόνια ούτε καθαρά φερμιόνια.

Οποιοδήποτε ρυθμιζόμενο σε μία διάσταση

Στη μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα, οι ερευνητές έδειξαν ότι η διάσπαση μποζονίου-φερμιονίου σπάει ακόμη και σε μονοδιάστατα συστήματα. Ανακάλυψαν κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον: ο παράγοντας ανταλλαγής στα συστήματα 1D μπορεί να συντονιστεί άμεσα.

Σε μια διάσταση, τα σωματίδια δεν μπορούν να κινηθούν το ένα γύρω από το άλλο για να ανταλλάξουν θέσεις. Αντίθετα, πρέπει να περάσουν ο ένας από τον άλλο. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αλλάζει τη συμπεριφορά ανταλλαγής με θεμελιώδη τρόπο σε σύγκριση με υψηλότερες δόσεις.

Μελέτες δείχνουν ότι ο παράγοντας ανταλλαγής αυτών των συστημάτων σχετίζεται με την ισχύ των αλληλεπιδράσεων μικρής εμβέλειας των σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να προσαρμόσουν πειραματικά τις στατιστικές ανταλλαγής, δημιουργώντας ευκαιρίες να εξερευνήσουν ένα ευρύ φάσμα νέων κβαντικών φαινομένων.

“Όχι μόνο εντοπίσαμε την πιθανότητα ύπαρξης μονοδιάστατων ατόμων, αλλά δείξαμε επίσης πώς να χαρτογραφήσουμε τις στατιστικές ανταλλαγής τους και, με συναρπαστικό τρόπο, πώς να παρατηρήσουμε τη φύση τους μέσω των κατανομών ορμής τους”, συνοψίζει ο καθηγητής Μπους. “Οι πειραματικές ρυθμίσεις που απαιτούνται για να γίνουν αυτές οι παρατηρήσεις υπάρχουν ήδη. Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε σε τι θα οδηγήσουν οι μελλοντικές ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα και τι μπορεί να μας πει για τη θεμελιώδη φυσική του σύμπαντος.”