A pillanat, amikor egy 93 éves elmélet végre valósággá vált

Be kell vallanom valamit: a kvantumfizika még mindig képes megenni az agyamat. És van egy történet, ami még jobban meg tudja ezt tenni.

Az a bizonyos "Várj, ez tényleg létezik?" pillanat

Képzeld el: 1931-et írjuk. Hans Bethe fizikus – aki később Nobel-díjat fog nyerni, semmi nagy ügy – leír néhány egyenletet arról, hogyan viselkedhetnek a részecskék rendkívül keskeny, egydimenziós terekben. Azt jósolja meg, hogy ezek a részecskék furcsa kollektív állapotokat hozhatnak létre – olyan struktúrákat, amelyeket ő "Bethe-strungoknak" fog nevezni. Ezek a részecskék nem azért maradnak együtt, mert valami összeragasztja őket, vagy kémiai kötés tartja össze őket. Hanem azért, mert folyamatosan, éppen megfelelő módon hatnak egymásra.

Nagyjából egy évszázadon át ezek a dolgok pusztán matematikai érdekességek maradtak. Tankönyvekben szereplő szép ötletek. Valami, ami talán létezik, de senki sem látta őket ténylegesen.

Egészen mostanáig.

Egy kutatócsoport az Innsbrucki Egyetemen, amszterdami és müncheni kollégákkal együttműködve, épp most tette közzé az eredményeit. Eszerint nemcsak sikerült megalkotniuk a Bethe-strungokat, hanem meg is figyelték őket működés közben. Ütköztették őket. Táncoltatni kezdték őket. Olyan ez, mint végre személyesen találkozni egy hírességgel, akiről eddig csak sztorikat hallottál.

Hogyan építesz egy kvantumstrungot?

Itt jön a móka. A tudósok közönséges céziumatomokkal indítottak – igen, azokkal, amik az atomórákban vannak – és lehűtötték őket a abszolút nulla foktól mindössze néhmilliárd foknyira. Ha nem vagy otthon ebben a hőmérsékletben: elképesztően hideg. Annyira hideg, hogy a normális atom-remegés gyakorlatilag teljesen leáll.

Aztán jött az okos rész. Lézertrükkökkel felszeletelték ezt az ultrahideg atomfelhőt több ezer borotvaélesen vékony csővé. Minden egyes csőben az atomok csak előre vagy hátra mozoghattak – lényegében egyetlen egyenes vonalon. Ez hozta létre azt az egydimenziós környezetet, ahol a Bethe-strungok létezhetnek.

Az atomok közötti kölcsönhatások finomhangolásával – vonzóvá téve őket a taszítás helyett – a kutatók megfigyelték, ahogy kötött állapotok alakulnak ki. Voltak párok, hármasok, és olyanok is, ahol hat vagy annál több részecske táncolt együtt.

Az ütköztetési teszt

De itt van az, ami tényleg eladta nekem ezt a kutatást. A csapat bizonyítékot akart arra, hogy ezek a részecskék valóban együtt maradnak – nem egyszerűen csak áthaladnak egymáson.

És itt jön a szép rész: hagyták a strungokat tágulni, majd ütköztették őket egymással.

Imádom ezt a képet. Többezer apró kvantumstring, nekiütközik egymásnak, miközben az egydimenziós pályáikban maradnak. És mi történt?

Túlélték. A kötött struktúrák érintetlenek maradtak, még miután belerohantak a szomszédos strungokba. Ez tényleg figyelemre méltó, ha belegondolsz – ezek nem merev tárgyak, amelyeket kötések tartanak össze. Kollektív kvantumállapotok, mégis koherensek maradnak az ütközések során.

Aztán jött a végső csapás. A kutatók feloldották a befogást, és hagyták az atomokat háromdimenziós térbe tágulni. Mivel a Bethe-strungok csak egydimenzióban létezhetnek, ez a kötött állapotok széteséséhez vezetett. A kötési energia mozgássá alakult, és a részecskék extra erővel repültek szét. Ha ezt a tágulást összehasonlították a befogott állapottal, egyértelmű bizonyítékot kaptak arra, hogy Bethe-strungok voltak jelen.

Miért kellene neked is érdekelnie?

Lehet, hogy azt gondolod: klassz tudományos kísérlet, de mi eből a különleges?

Itt jön a "miért fontos ez" rész. A Bethe-strungokat korábban már észlelték szilárd mágneses anyagokban, de azok a rendszerek kaotikusak – nehéz őket kontrollálni, nehéz manipulálni. Ez az új megközelítés ultrahideg atomokkal más. A kutatók mindent kontrollálhatnak: a geometriát, a részecskesűrűséget, az atomok közötti kölcsönhatás erősségét.

Ez a Bethe-strungokat egy teljes értékű kísérleti játszótérré változtatja. A tudósok most már tanulmányozhatják, hogyan alakulnak ki ezek a kollektív kvantumobjektumok, hogyan hatnak egymásra, és mi történik, ha különböző módon bököd és piszkálod őket. Ez egy új laboratórium a kvantum-many-body fizikához.

Ahogy Sudipta Dhar, a kutatás vezetője fogalmazott: most már meg tudják őket "alkotni a laboratóriumban, manipulálni, ütköztetni és vizsgálni a figyelemre méltó ütközési stabilitásukat."

A nagyobb kép

Van valami költőien kielégítő ebben a történetben. Hans Bethe, aki pusztán tollal, papírral és a kvantummechanikáról alkotott rendkívüli intuíciójával dolgozott, 1931-ben olyat jósolt meg, amit az ő korának technológiájával lehetetlen lett volna igazolni. Kilencvenhárom évvel később, lézerekkel, szupravezető mágnesekkel és az Univerzum legprecízebben kontrollált anyagával a fizikusok életre keltették ezeket a matematikai lényeket.

Eszembe juttatja, hogy a fizika gyakran így működik – először álmodunk, aztán építünk olyan eszközöket, amelyekkel elkapjuk az álmainkat.

Nem tudom, neked hogy van, de én ezt meglehetősen inspirálónak találom. Az Univerzum furcsább és csodálatosabb, mint amit kezdetben el tudunk képzelni, és lassan, óvatosan rájövünk, hogyan láthatjuk azt, ami mindig is ott volt.