Fyysikot löysivät jotain, mitä kukaan ei osannut odottaa — ja se haastaa kvanttiteorian perusteita

Okei, mun täytyy kertoa teille jotain, mitä just tapahtui kvanttifyysiikan maailmassa. Ja rehellisesti? Tää saa mut hikoilemaan.

Tutkijat ovat luoneet sen, mitä he kutsuvat "fraktionaaliseksi Fermin mereksi" — ja tämä juttu on todella erikoista. Sellaista erikoista, että oppikirjamme saattavat kaivata päivitystä.

Fermin meri: missä hiukkaset pelaavat säännöillä

Purkaa se tähän tyyliin, jotta pää ei räjähdä.

Muistatko, kun alakoulussa opittiin, että elektronit kiertävät atomeja kuorilla? No, kvantitasolla asiat ovat paljon järjestäytyneempiä. On sääntöjä — hyvin tiukkoja sääntöjä — siitä, miten tietynlaiset hiukkaset eli "fermionit" (joihin elektronitkin kuuluvat) järjestäytyvät, varsinkin kun lämpötila laskee todella matalaksi.

Nämä hiukkaset käytännössä pinoutuvat energiatasoille kuin ihmiset paikoilleen teatterissa. Kaikki eivät mahdu samaan paikkaan. Tämä järjestäytynyt tila matalassa lämpötilassa on se, mitä fyysikot kutsuvat "Fermin mereksi".

Se on kaunis, organisoitu systeemi. Mutta tässä kohtaa asiat kiinnostaviksi.

Mitä tapahtuu kun systeemiä häiritään?

Tutkijat — Hanns-Christoph Nägerlin johtama ryhmä yhdessä teoreettisen fyysikon Alvise Bastianellon kanssa — halusivat tietää, mitä tapahtuu kun tämä järjestäytynyt systeemi käytännössä potkaistaan kovaa. He ottivat ultrakylmiä cesiumatomeja ja toistuvasti siirsivät niitä olosuhteiden välillä, joissa ne hylkivät toisiaan voimakkaasti ja joissa ne vetivät toisiaan puoleensa voimakkaasti.

Ajattele sitä niin kuin toistuvaa tökkimistä täydellisesti pinoutuneelle palikkatornille. Et odottaisi niiden pysyvän järjestyksessä, eihän?

No, juuri sitä olisi pitänyt tapahtua näille kvanttihiukkasille. Systeemin olisi pitänyt mennä kaoottiseksi ja epäjärjestyneeksi.

Paitsi... ei mennyt.

Fraktionaalinen Fermin meri: järjestystä kaaoksesta

Atomeista ei tullut kaaosta. Sen sijaan ne järjestäytyivät täysin uudella tavalla. Tutkijat kutsuvat sitä "fraktionaaliseksi Fermin mereksi", koska hiukkaset vaikuttavat noudattavan muunneltua versiota tavanomaisista kvanttienergiasäännöistä.

Tämä on yllättävää. Kuten eräs tutkija asian muotoili: "Tämä tila on voimakkaasti viritetty, mutta se ei ole satunnainen. Siinä on piilossa oleva järjestys, joka näkyy sen korrelaatioissa."

Aika hurjaa, eikö? Systeemi on viritetty, kaukana siitä, mitä fyysikot kutsuvat "tasapainoksi" (eli tilaksi, jossa asiat ovat asettuneet vakaaseen tilaan), mutta silti sen alla on salainen rakennelma.

Miksi tällä on väliä

Tässä syy, miksi tämä on niin jännittävää: olemme käytännössä löytäneet uudenlaisen kvanttikäyttäytymisen, jota olemassa olevat teoriat eivät ennustaneet.

Ryhmä havaitsi omaleimaisia kaavoja siinä, miten nämä hiukkaset korreloivat keskenään — mukaan lukien jotain nimeltä "Friedelin oscillaatiot" (aaltomainen vaihtelu) — jotka eivät vastaa sitä, mitä vakiokehyksemme antaisi ymmärtää.

Tavallinen teoria yksiulotteisille kvanttijärjestelmille on Tomonaga-Luttinger-nesteteoria. Mutta tämä uusi fraktionaalinen Fermin meri ei istu siihen lokeroon kunnolla.

Mitä tämä tarkoittaa tieteelle?

Rehellisesti? Tämä avaa fyysikoille kokonaisen uuden leikkikentän.

Kyky luoda ja tutkia viritettyjä kvanttitiloja samalla kun piilossa oleva järjestys säilyy antaa tutkijoille uuden tavan tutkia kvanttiainetta. Se on kuin löytäisi uuden huoneen talosta, jonka luulimme olevan jo kartoitettu kokonaan.

Lisäksi on jotain aidosti kaunista siinä, että vaikka häiritset kvanttijärjestelmää rajusti, luonto keksii tavan luoda rakennetta. Se muistuttaa minua siitä, että universumi on paljon oudompi ja elegantimpi kuin mitä usein annamme sen madollisuuden.

Tutkijat itse kutsuvat tätä "hallituksi tavaksi tutkia kvanttiainetta tavanomaisten tasapainoparadigmojen ulkopuolella" — mikä tieteenkielellä käytännössä tarkoittaa "me vain löysimme jotain uutta tutkittavaa vuosikymmeniksi eteenpäin."

Pidän silmällä, mihin tämä menee. Jos olet yhtä nörtti tällaisista jutuista kuin minä, sinunkin kannattaisi.

Lähde: ScienceDaily