Particulele pe care Bethe le-a visat în 1931 au fost în sfârșit create în laborator

Trebuie să recunosc ceva: fizica cuantică îmi face în continuare mintea praf. Și iată o poveste care o face și mai nebunească.

Când matematica devine realitate

Imaginează-ți: e 1931. Un fizician pe nume Hans Bethe (care mai târziu va câștiga Premiul Nobel, fără emoții) scrie niște ecuații despre cum s-ar putea comporta particulele în spații extrem de înguste, pe o singură dimensiune. El prezice că aceste particule ar putea forma stări colective ciudate — niște structuri pe care le numește „stringuri Bethe" — unde mai multe particule rămân legate împreună nu pentru că sunt lipite sau legate chimic, ci pentru că interacționează între ele într-un mod exact potrivit.

Timp de aproape un secol, aceste lucruri au rămas o curiozitate matematică. O idee simpatică din manuale. Ceva ce ar putea exista, dar pe care nimeni nu l-a văzut niciodată în realitate.

Până acum.

O echipă de cercetători de la Universitatea din Innsbruck, împreună cu colegi din Amsterdam și Munchen, tocmai a publicat rezultate care arată că au creat stringuri Bethe și le-au observat în acțiune. Le-au ciocnit. Le-au făcut să danseze. E ca și cum ai întâlni în sfârșit o persoană celebră pe care ai cunoscut-o doar din povești.

Cum construiești un string cuantic?

Aici devine distractiv. Oamenii de știință au început cu atomi simpli de cesiu (da, aceeași substanță din ceasurile atomice) și i-au răcit până la câteva miliardimi de grad deasupra zero absolut. Dacă nu ești familiarizat cu această temperatură, să știi că e absurd de rece — atât de rece încât aproape toate mișcările normale ale atomilor se opresc complet.

Apoi a venit partea ingenioasă. Au folosit trucuri cu laser pentru a felia acest nor de atomi ultrafierbinți în mii de tuburi subțiri ca o lamă. În interiorul fiecărui tub, atomii puteau să se miște doar înainte sau înapoi — o singură linie, practic. Astfel au creat mediul unidimensional unde stringurile Bethe pot să existe.

Ajustând interacțiunile dintre atomi (făcându-le atractive în loc de respingătoare), cercetătorii au observat cum se formează stările legate. Unele erau perechi, altele triplete, iar unele includeau șase sau mai multe particule dansând împreună.

Testul de ciocnire

Dar iată ce m-a convins cu adevărat. Echipa voia dovezi că aceste particule erau într-adevăr legate între ele — nu doar se traversau una pe alta.

Așa că au făcut ceva genial: au lăsat stringurile să se extindă și să se ciocnească între ele.

Iubesc această imagine. Mii de stringuri cuantice minuscule, ciocnindu-se una de alta în timp ce sunt prinse în benzile lor unidimensionale. Și ce s-a întâmplat?

Au supraviețuit. Structurile legate au rămas intacte chiar și după impactul cu stringurile vecine. Asta este cu adevărat remarcabil când te gândești — acestea nu sunt obiecte rigide ținute împreună de legături. Sunt stări cuantice colective, și totuși rămân coerente prin ciocniri.

Apoi a venit lovitura de grație. Cercetătorii au eliberat confinarea, lăsând atomii să se extindă în spațiul tridimensional complet. Pentru că stringurile Bethe pot exista doar într-o dimensiune, asta a făcut ca stările legate să se descompună. Energia de legare s-a transformat în mișcare, iar particulele s-au împrăștiat cu viteză în plus. Comparând această expansiune cu cea din stare confinată, au avut dovada clară că stringurile Bethe fuseseră prezente.

De ce ar trebui să-ți pese?

Poate te întrebi: experiment științific cool, dar ce contează?

Iată ce contează. Stringurile Bethe au fost detectate înainte în materiale magnetice solide, dar acele sisteme sunt haotice — greu de controlat, greu de manipulat. Această nouă abordare cu atomi ultrafierbinți este diferită. Cercetătorii pot controla absolut tot: geometria, densitatea particulelor, cât de puternic interacționează atomii.

Asta deschide stringurile Bethe ca un teren de joacă experimental propriu-zis. Oamenii de știință pot acum să studieze cum se formează aceste obiecte cuantice colective, cum interacționează, și ce se întâmplă când le împingi și le probezi în diferite moduri. Este un laborator nou pentru fizica cuantică a multor corpuri.

Cum a spus cercetătorul principal Sudipta Dhar, acum pot „să le creeze în laborator, să le manipuleze, să le facă să se ciocnească și să probeze stabilitatea lor remarcabilă la coliziuni."

Imaginea de ansamblu

Există ceva poetic satisfăcător în această poveste. Hans Bethe, lucrând doar cu stiloul, hârtia și intuiția lui extraordinară despre mecanica cuantică, a prezis în 1931 ceva pe care tehnologia timpului său nu putea să-l verifice în niciun fel. Nouăzeci și trei de ani mai târziu, folosind lasere, magneți supraconductori și materia cel mai precis controlată din existență, fizicienii au adus creaturile sale matematice în realitatea fizică.

Mă face să-mi amintesc că fizica funcționează adesea așa — mai întâi visăm, apoi construim instrumentele pentru a prinde visele.

Nu știu despre tine, dar eu găsesc asta destul de inspirator. Universul este mai ciudat și mai minunat decât putem imagina inițial, și încet, cu grijă, ne dăm seama cum să vedem ce a fost întotdeauna acolo.