Topolog przewiduje nową formę materii

W 1970 roku młody fizyk pracujący w Związku Radzieckim dokonał sprzecznej z intuicją prognozy. Witalij Efimow, obecnie na Uniwersytecie Waszyngtońskim w USA, wykazał, że obiekty kwantowe, które nie mogą tworzyć się w pary, mogą mimo wszystko formować się w trójki.

W 2006 roku grupa z Austrii znalazła pierwszy przykład tak zwanego stanu Efimowa w zimnym gazie atomów cezu.

To zagadkowe. Z pewnością wiązania, które łączą trojaczki, są takie same, jak te, które łączą pary. Właściwie nie! Okazuje się, że istnieje subtelna, ale istotna różnica, która sprawia, że ​​te więzi są zupełnie inne.

Dzisiaj Nils Baas z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii dokonuje kolejnej zaskakującej prognozy. Twierdzi, że dziwne, nieziemskie wiązania, które umożliwiają sklejanie się atomów cezu w trójki, powinny umożliwiać tworzenie się znacznie bardziej złożonych obiektów. W rzeczywistości mówi, że jesteśmy bliscy odkrycia zupełnie nowej formy materii rządzonej przez zupełnie nową gałąź fizyki.

Za tym dziwnym wynikiem kryje się gałąź matematyki zwana topologią, czyli badanie kształtu. Topologia dotyczy w szczególności właściwości kształtu, które są zachowywane, gdy obiekt jest ściskany, rozciągany i uderzany, ale nie rozdzierany.

Przydatnym przykładem do rozważenia jest słynny pierścień boromejski pokazany powyżej po lewej. Składa się z trzech kół splecionych ze sobą w taki sposób, że przecięcie jednego uwalnia pozostałe dwa.

Kluczowym punktem tutaj jest to, że koła w płaskiej dwuwymiarowej płaszczyźnie nie mogą tworzyć pierścienia boromejskiego. Ale wprowadź trzeci wymiar i nagle kręgi mogą zostać w ten sposób połączone. Oczywiście, każdy mieszkaniec płaskowyżu żyjący w tym dwuwymiarowym samolocie byłby kompletnie oszołomiony tą własnością.

Okazuje się, że istnieje formalna matematyczna analogia między pierścieniem boromeusza a dziwnymi trójkami cezu, które przewidział Efimov. Okazuje się, że matematyka mechaniki kwantowej i topologii jest taka sama.

Ale o to chodzi: wiązania, które wyłaniają się z topologii mechaniki kwantowej, są całkowicie nieziemskie. Podczas gdy zwykła materia, to, o co stukasz palcami, jest wyraźnie ograniczona do trzech wymiarów, matematyka mechaniki kwantowej istnieje w zupełnie innym zestawie wymiarów. I to w tej przestrzeni tworzą się pierścienie boromejskie.

Rezultatem jest rodzaj równoległej fizyki, w której prawa rządzące zachowaniem w tym równoległym wszechświecie wywierają nieunikniony, upiorny uścisk na nasz własny wszechświat.

I nie chodzi tylko o wiązania między atomami. Fizycy zaczynają budować przewodniki i izolatory, w których ruchem elektronów rządzi topologia mechaniki kwantowej. Tak zwane izolatory topologiczne są obecnie dużym tematem w fizyce ciała stałego.

A topologia rozszerzy swoje wpływy, jeśli Baas postawi na swoim. Wskazuje, że pierścienie boromejskie są tylko najprostszym przykładem całego układu okresowego pierwiastków struktur topologicznych. A jeśli możliwe jest stworzenie stanów Efimowa, które są równoważne pierścieniom boromejskim, to powinno być również możliwe wykonanie pozostałych.

Ta rodzina rzeczy będzie nowym stanem materii, rządzonym przez zasady wiadomości, rodzaj fizyki Efimova.

Jak te rzeczy mogą się zachowywać? Nie jest to jeszcze jasne, ale Baas przedstawia interesującą możliwość. Głębokie i nieziemskie powiązanie między cząstkami w stanach Efimowa jest niezwykle podobne do splątania kwantowego.

Nikt nie jest do końca pewien, czy są identyczne, ale jeśli są, to fizyka Efimova zapewni nowy sposób myślenia o splątaniu oraz o tym, jak je generować i wykorzystywać. Będzie to miało ważne implikacje dla kryptografii, informatyki i informatyki w ogóle.

Laureat Nagrody Nobla, fizyk Murray Gell-Mann, stwierdził kiedyś, że: wszystko, co nie jest zabronione, jest obowiązkowe. Miał na myśli sposób, w jaki cząstki oddziałują w mechanice kwantowej. Innymi słowy, jeśli nie ma powodu, dla którego cząstki nie mogą oddziaływać w określony sposób, to muszą w ten sposób oddziaływać.

Wygląda na to, że wkrótce zobaczymy, jak głębokie i dalekosiężne było to stwierdzenie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1012.2698 : Nowe stany materii sugerowane przez nowe struktury topologiczne

ukryć