Konečně jsme je spatřili: Betheho řetězce po devadesáti letech

Musím se přiznat: kvantová fyzika mi pořád vyráží dech. A tenhle příběh to jenom potvrzuje.

Objevení, které vše změnilo

Představte si rok 1931. Fyzik Hans Bethe (později nositel Nobelovy ceny, jen tak mimochodem) si na papír napsal rovnice popisující, jak by se částice mohly chovat v extrémně úzkých, jednorozměrných prostorech. Předpověděl, že tyto částice by mohly vytvářet podivné kolektivní stavy — struktury, které nazval „Betheho řetězce". Více částic pohromadě drží ne proto, že by byly slepené nebo chemicky vázané, ale proto, že na sebe neustále působí přesně tím správným způsobem.

Skoro celé století tohle zůstávalo jen matematickou zajímavostí. Hezký nápad v učebnicích. Něco, co možná existuje, ale nikdo to nikdy skutečně neviděl.

Až doteď.

Vědecký tým z Univerzity Innsbruck ve spolupráci s kolegy z Amsterdamu a Mnichova právě publikoval výsledky, které ukazují, že Betheho řetězce nejen vytvořili, ale dokonce je sledovali v akci. Sráželi je. Přinutili je tančit. Je to jako konečně potkat celebrity, o které jste jen slyšeli v příbězích.

Jak na to?

Tady to začíná být vážně zajímavé. Vědci vzali obyčejné atomy cesia (ano, stejná látka jako v atomových hodinách) a ochladili je na několik miliardtin stupně nad absolutní nulou. Pokud si pod tím neumíte nic představit, věřte mi — je to absurdně nízká teplota. Tak Studený, že normální kmitání atomů prakticky ustane úplně.

Pak přišla ta chytrá část. Pomocí laserů rozdělili tento ultrachladný oblak atomů na tisíce tenoučkých trubiček. Uvnitř každé trubičky se atomy mohly pohybovat jen dopředu nebo dozadu — v podstatě jedna přímka. Právě takové jednorozměrné prostředí je podmínkou pro existenci Betheho řetězců.

Když vědci upravili vzájemné působení mezi atomy (přepnuli ho z odpudivého na přitažlivé), začali pozorovat vznik vázaných stavů. Některé byly dvojice, některé trojice, a některé zahrnovaly šest i více částic tančících pohromadě.

Test srážkami

Ale tady přichází to, co mě na tomto výzkumu fascinuje nejvíc. Tým chtěl důkaz, že tyto částice jsou skutečně vázané — nejen že se vzájemně míjejí.

Takže udělali něco skvělého: nechal řetězce expandovat a srážet se navzájem.

Miluju ten obraz. Tisíce malých kvantových řetězců narážejí do sebe, zatímco jsou uvězněny ve svých jednorozměrných koridotech. A co se stalo?

Přežily. Vázané struktury zůstaly neporušené i po nárazech do sousedních řetězců. To je pozoruhodné, když se nad tím zamyslíte — nejsou to tuhé objekty držené pohromadě chemickými vazbami. Jsou to kolektivní kvantové stavy, a přesto zůstávají koherentní i při srážkách.

Pak přišla finále. Vědci uvolnili uvěznění a nechali atomy expandovat do plného trojrozměrného prostoru. Protože Betheho řetězce mohou existovat pouze v jednom rozměru, vázané stavy se rozpadly. Vázací energie se přeměnila na pohyb a částice odletěly s额外ní silou. Porovnáním této expanze s tou v uvězněném stavu získali jasný důkaz přítomnosti Betheho řetězců.

Proč by vás to mělo zajímat?

Možná si říkáte: pěkný vědecký experiment, ale co z toho?

Tady je ten důvod. Betheho řetězce už byly detekovány v pevných magnetických materiálech, ale tyto systémy jsou chaotické — těžko se ovládají, těžko manipulují. Tento nový přístup s ultrachladnými atomy je něco jiného. Vědci teď můžou kontrolovat úplně všechno: geometrii, hustotu částic, sílu interakce mezi atomy.

To otevírá Betheho řetězce jako plnohodnotnou experimentální hřiště. Vědci teď můžou studovat, jak tyto kolektivní kvantové objekty vznikají, jak spolu interagují a co se stane, když je různými způsoby pošťuchujete. Je to nová laboratoř pro kvantovou fyziku mnoha těles.

Jak řekl vedoucí výzkumník Sudipta Dhar, teď můžou tyto struktury „vytvářet v laboratoři, manipulovat s nimi, srážet je a zkoumat jejich pozoruhodnou srážkovou stabilitu."

Ten větší obrázek

V tomto příběhu je cosi poeticky uspokojivého. Hans Bethe pracoval v roce 1931 jen s tužkou, papírem a svou mimořádnou intuicí ohledně kvantové mechaniky. Předpověděl něco, co technologie jeho doby nemohly nijak ověřit. O 93 let později fyzikové — s lasery, supravodivými magnety a nejpřesněji kontrolovanou hmotou, jaká existuje — přivedli jeho matematické tvory do fyzické reality.

Připomíná mi to, že fyzika často funguje takto — nejdřív sníme, pak postavíme nástroje, abychom naše sny chytili.

Nevím jak vy, ale já v tom nacházím inspiraci. Vesmír je podivnější a úžasnější, než si dokážeme zpočátku představit. A pomalu, pečlivě se učíme vidět to, co tu bylo vždycky.