Fizycy właśnie zrobili coś, co kompletnie łamie nasze rozumienie kwantów

Mam dla was coś naprawdę niesamowitego prosto ze świata fizyki kwantowej. I szczerze? Trochę się tym ekscytuję.

Naukowcy stworzyli coś, co nazwali „ułamkowym morzem Fermiego" — i muszę was uprzedzić, że to jest dziwne. Tak dziwne, że nasze podręczniki mogą wymagać poważnych poprawek.

Morze Fermiego — jak cząstki grają według ścisłych zasad

Zacznijmy od podstaw, żeby nikomu nie rozbolała głowa.

Pamiętacie ze szkoły, że elektrony krążą wokół atomów w powłokach? No więc na poziomie kwantowym sprawy są o wiele bardziej uporządkowane. Istnieją reguły — bardzo surowe reguły — dotyczące tego, jak cząstki zwane „fermionami" (a do nich należą między innymi elektrony) układają się w przestrzeni, szczególnie gdy temperatura spada do ekstremalnie niskich wartości.

Te cząstki zajmują dostępne poziomy energetyczne mniej więcej tak, jak ludzie wypełniający seats w teatrze. Nie mogą wszystkie wcisnąć się w to samo miejsce. To uporządkowane upakowanie nazywamy „morzem Fermiego".

Piękny, elegancki system. Ale tu zaczyna się najciekawsze.

Co się stanie, gdy zburzymy ten porządek?

Zespół prowadzony przez Hannsa-Christopha Nägerla, we współpracy z teoretykiem Alvise Bastianello, postanowił sprawdzić, co się wydarzy, gdy ten poukładany system dostanie mocnego kopniaka.

Naukowcy wzięli ultrazimne atomy cezu i wielokrotnie przepinali je między warunkami, w których silnie się odpychały, a tymi, gdzie mocno się przyciągały.

Wyobraźcie sobie, że wielokrotnie szturchacie idealnie ułożoną wieżę z klocków. Nie spodziewalibyście się, że utrzymają porządek, prawda?

Dokładnie takiej samej destrukcji powinny ulec te kwantowe cząstki. System powinien pogrążyć się w chaosie.

No i tutaj pojawia się niespodzianka.

Ułamkowe morze Fermiego — porządek w chaosie

Zamiast rozpadać się w nieład, atomy ułożyły się w coś zupełnie nowego. Badacze nazwali to „ułamkowym morzem Fermiego", bo cząstki zdają się podążać za zmodyfikowaną wersją standardowych reguł kwantowych.

To naprawdę zaskakujące. Jak ujął to jeden z badaczy: „Ten stan jest silnie wzbudzony, ale nie jest losowy. Ma ukryty porządek, który ujawnia się w jego korelacjach."

Kurka wodna, prawda? System jest pobudzony, daleki od tego, co fizycy nazywają „równowagą" — czyli stanu, gdy wszystko się ustabilizuje — a mimo to pod spodem zachowuje tajemniczą strukturę organizacyjną.

Dlaczego to jest takie ważne?

Oto dlaczego mnie to tak fascynuje: właśnie odkryliśmy zupełnie nowy typ zachowania kwantowego, którego istniejące teorie nie przewidywały.

Zespół zauważył charakterystyczne wzorce w tym, jak cząstki ze sobą korelują — włącznie ze zjawiskiem zwanym „oscylacjami Friedela" (faliste wahania) — które kompletnie nie zgadzają się z tym, co mówią nasze standardowe modele.

Zazwyczaj jednym z głównych narzędzi do opisu kwantowych układów jednowymiarowych jest tak zwana teoria cieczy Tomonagi-Luttingera. Ale to nowe ułamkowe morze Fermiego nie pasuje do tego schematu.

Co to oznacza dla nauki?

Szczerze? To otwiera zupełnie nowy plac zabaw dla fizyków.

Możliwość tworzenia i badania wzbudzonych stanów kwantowych z zachowanym ukrytym porządkiem daje badaczom nowe narzędzie do eksplorowania materii kwantowej. To jak odkrycie nowego pokoju w domu, który myśleliśmy, że już dawno zmapowaliśmy.

A poza tym — jest coś pięknego w tym, że nawet gdy brutalnie zaburzymy kwantowy system, natura jakoś znajduje sposób, by narzucić strukturę. To przypomina mi, że wszechświat jest o wiele dziwniejszy i bardziej elegancki, niż mu często dajemy kredyt.

Sami badacze nazywają to „kontrolowanym sposobem eksploracji materii kwantowej wykraczającym poza standardowe paradygmaty równowagi" — co w naukowym żargonie oznacza mniej więcej „właśnie znaleźliśmy coś, co będziemy badać przez lata".

Będę obserwował, jak to się rozwinie. Jeśli jesteście równie zajadazeni takimi rzeczami jak ja — was też zachęcam do śledzenia.

Źródło: ScienceDaily