Kvanttifyysikot vihdoin näkivät sen, mitä Hans Bethe kuvitteli lähes sata vuotta sitten

Tunnustus

Quantumfysiikka saa silti minut pyörälleni. Ja tämä tarina tekee sen entistä hurjemmaksi.

Se "odota, tuo on olemassa?" -löytö

Kuvittele tilanne: vuosi 1931. Fyysikko Hans Bethe – joka myöhemmin voittaa Nobelin – kirjoittaa ylös yhtälöitä siitä, miten hiukkaset käyttäytyisivät äärimmäisen kapeissa, yksiulotteisissa tiloissa. Hän ennustaa, että nämä hiukkaset voivat muodostaa outoja kollektiivisia tiloja. Rakenteita, joita hän kutsuu "Bethe-ketjuiksi". Niissä useampi hiukkanen pysyy yhdessä ei siksi, että ne olisi liimattu kiinni, vaan koska ne ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa keskenään täsmälleen oikealla tavalla.

Lähes vuosisadan ajan nämä jutut olivat vain matemaattinen curiosity. Kiva idea oppikirjoissa. Jotain, joka ehkä voisi olla olemassa, mutta jota kukaan ei ollut oikeasti nähnyt.

Kunnes nyt.

Tutkijaryhmä Innsbruckin yliopistosta, yhteistyössä Amsterdamin ja Munchenin kollegoiden kanssa, julkaisi tuloksia, joiden mukaan he ovat paitsi luoneet Bethe-ketjuja, myös tarkkailleet niitä toiminnassa. Törmäyttäneet niitä. Tehneet niistä tansseja. Tämä on kuin vihdoin tavata julkkis, jonka olet tuntenut vain tarinoista.

Miten rakentaa kvanttiketju?

Tässä kohtaa homma kiinnostaa oikeasti. Tutkijat aloittivat tavallisella cesium-atomeilla (samaa tavaraa kuin atomikelloissa) ja jäähdyttivät ne muutamaan miljardisosaan asteesta absoluuttisen nollan yläpuolella. Jos et tunne tuota lämpötilaa, tiedä vain, että se on absurdin kylmää – niin kylmää, että kaikki normaali atomien sihisevä liike lähes lakkaa.

Sitten tuli se nokkela osuus. He käyttivät lasertemppuja viipaloimaan tämän ultrakylmän atomipilven tuhansiksi partaterän ohuiksi putkiksi. Jokaisen putken sisällä atomit pystyivät liikkumaan vain eteen tai taaksepäin – yksi suora viiva, käytännössä. Tämä loi sen yksiulotteisen ympäristön, jossa Bethe-ketjut saavat olla olemassa.

Säätämällä atomien välisiä vuorovaikutuksia (tekemällä ne houkutteleviksi eikä hylkiviksi) tutkijat näkivät sidottujen tilojen muodostuvan. Osa oli pareja, osa kolmikkoja, ja osa sisälsi kuusi tai enemmän hiukkasia, jotka kaikki tanssivat yhdessä.

Törmäystesti

Mutta tämä on se kohta, joka todella vakuutti minut. Tutkijat halusivat todisteita siitä, että nämä hiukkaset todella olivat sidottuja yhteen – eivät vain läpikulkemassa toisiaan.

Joten he tekivät jotain kaunista: he päästivät ketjut laajenemaan ja * törmäilemään toisiinsa*.

Rakastan tätä kuvaa. Tuhansia pieniä kvanttiketjuja, jotka törmäilevät toisiinsa loukkuun jääneinä yksiulotteisissa käytävissään. Ja mitä tapahtui?

Ne selvisivät. Sidotut rakenteet pysyivät ehjinä törmättyään naapuriketjuihin. Se on todella merkittävää, kun ajattelee asiaa – nämä eivät ole jäykkiä esineitä, jotka pitää koossa kemialliset sidokset. Ne ovat kollektiivisia kvanttitiloja, ja silti ne pysyvät koherenssissa törmäysten läpi.

Sitten tuloi viimeinen niitti. Tutkijat vapauttivat loukun ja päästivät atomit laajenemaan täyteen kolmiulotteiseen tilaan. Koska Bethe-ketjut voivat vain olla olemassa yhdessä ulottuvuudessa, sidotut tilat hajosivat. Sidosenergia muuttui liikkeeksi, ja hiukkaset lensivät erilleen ylimääräisellä voimalla. Vertaamalla tätä laajenemista loukkuun sidottuun tilaan, heillä oli selkeä todiste siitä, että Bethe-ketjuja oli ollut olemassa.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Saattaisit miettiä: hieno tiedekokeilu, mutta mitä siitä?

Tässä se "mitä siitä". Bethe-ketjuja on havaittu aiemminkin kiinteissä magneettisissa materiaaleissa, mutta ne järjestelmät ovat sotkuisia – vaikeita hallita, vaikeita käsitellä. Tämä uusi lähestymistapa ultrakylmillä atomeilla on erilainen. Tutkijat voivat hallita kaikkea: geometriaa, hiukkastiheyttä, vuorovaikutuksen voimakkuutta.

Tämä avaa Bethe-ketjut oikeaksi kokeelliseksi leikkikentäksi. Tutkijat voivat nyt tutkia, miten nämä kollektiiviset kvantti* objektit muodostuvat, miten ne ovat vuorovaikutuksessa, ja mitä tapahtuu kun niitä tökkäisee ja tökkäisee eri tavoin. Se on uusi laboratorio kvantti monihiukkasfysiikalle.

Kuten johtava tutkija Sudipta Dhar asian muotoili, nyt he voivat "luoda niitä laboratoriossa, käsitellä niitä, törmäyttää niitä ja tutkia niiden merkittävää törmäysvakautta."

Suurempi kuva

Tässä tarinassa on jotain runollisen tyydyttävää. Hans Bethe, joka työskenteli pelkän kynän, paperin ja poikkeuksellisen kvanttimekaniikka-intuition kanssa, ennusti jotain vuonna 1931, jota hänen aikansa teknologia ei missään nimessä voinut varmistaa. 93 vuotta myöhemmin, lasereita, suprajohtavia magneetteja ja tarkimmin hallittua materiaalia maailmassa käyttäen, fyysikot toivat hänen matemaattiset otuksensa fyysiseen todellisuuteen.

Se muistuttaa minua, että näin fysiikka usein toimii – ensin unelmoimme, sitten rakennamme työkalut saadaksemme unelmamme kiinni.

En tiedä sinusta, mutta minä pidän tuota melko inspiroivana. Maailmankaikkeus on oudompi ja ihmeellisempi kuin osaamme alunperin kuvitella, ja hitaasti, huolellisesti, keksimme miten nähdä se, mikä on aina ollut olemassa.