2020 рік запам'ятається світу не тільки як рік, який побив всі мислимі і немислимі температурні рекорди, а й як період людської історії, в ході якого було доведено існування третього царства частинок під назвою «еніони», які існують в двох вимірах одночасно. Взагалі, говорячи про фізику частинок, необхідно відзначити, що до недавнього часу їх існувало всього дві категорії або царства - бозони і ферміони. Критерій поділу елементарних частинок на два табори - це значення спина, квантового числа, яке характеризує власний момент імпульсу частинки. Іншими словами, якщо спін окремо взятої частинки визначається цілим числом - перед вами бозон, а якщо напівцілим - фермион. В цьому році дослідники виявили перші ознаки існування третього царства частинок - еніони, поведінка яких не схоже на поведінку ні бозонів, ні фермионов. Розповідаємо що таке еніони і чому їх відкриття має величезне значення для сучасної фізики.
Що таке «еніони»?
Кожна остання частинка у Всесвіті - від космічних променів до кварків - є або ферміоном, або бозоном. Ці категорії ділять будівельні блоки Всесвіту на два різних царства. У році, що минає 2020 році дослідники виявили перші ознаки існування третього царства частинок - еніони. Цікаво що еніони не ведуть себе ні як ферміони, ні як бозони; замість цього їх поведінка знаходиться десь посередині.
У статті, опублікованій влітку 2020 року в журналі Science, фізики виявили перші експериментальні докази того, що ці частинки не вписуються ні в одне з відомих фізикам царств. «Раніше у нас були бозони і ферміони, а тепер у нас є це третє царство елементарних частинок», - сказав Френк Вільчек, лауреат Нобелівської премії з фізики з Массачусетського технологічного інституту в інтерв'ю виданню Quanta Magazine.
Так як закони квантової механіки, що описують поведінку елементарних частинок, сильно відрізняються від відомих законів класичної фізики, зрозуміти їх досить важко. Щоб зробити це, дослідники пропонують уявити собі ... малюнок петель. Все тому, що коли еніони сплетені, один з них як би «обвивається» навколо іншого, змінюючи квантові стану.
Ще більше цікавих статей про закони квантової механіки і останні відкриття в галузі фізики читайте на нашому каналі в Яндекс.Дзен. Там регулярно виходять статті, яких немає на сайті.
Отже, уявіть собі дві невиразні частинки, схожі на електрони. Візьміть одну, а потім обмотайте її навколо іншої так, щоб вона повернулася туди, звідки почала свій шлях. На перший погляд може здатися що нічого не змінилося. І дійсно, на математичній мові квантової механіки дві хвильові функції, що описують початковий і кінцевий стани, повинні бути або рівні, або мати відхилення в одну одиницю. (В квантовій механіці ви обчислюєте ймовірність того, що спостерігаєте, звівши в квадрат хвильову функцію, так що цей коефіцієнт - 1 - вимивається).
Якщо хвильові функції частки ідентичні, то перед вами бозони. А якщо вони відхиляються на 1 коефіцієнт, то ви дивитеся на ферміони. І хоча висновок, отриманий в ході нового дослідження може здатися чисто математичним вправою, він має серйозні наслідки для сучасної фізики.
Три царства елементарних частинок
Дослідники також відзначають, що ферміони - це антисоціальні члени світу частинок, так як ніколи не займають одне і те ж квантовий стан. Через це електрони, які відносяться до класу ферміонів, потрапляють в різні атомні оболонки навколо самого атома. З цього простого явища виникає велика частина простору в атомі - дивовижне розмаїття періодичної системи і вся хімія.
Читайте також: Вчені наблизилися до розуміння того, чому існує Всесвіт
Бозони, з іншого боку, є стадними частками, що володіють щасливою здатністю об'єднуватися і розділяти один і той же квантовий стан. Таким чином, фотони, які відносяться до класу бозонів, можуть проходити один через одного, дозволяючи світлових променів безперешкодно переміщатися, а не розсіюватися.
Але що станеться, якщо закільцювати одну квантову частинку навколо іншої? Чи повернеться вона в вихідне квантовий стан? Щоб зрозуміти станеться це чи ні, необхідно заглибитися в короткий курс топології - математичного вивчення форм. Вважається, що дві форми топологічно еквівалентні, якщо одна може бути перетворена в іншу без будь-яких додаткових дій (склеювання або поділу). Пончик і кавова кружка, як свідчить стара приказка, топологічно еквівалентні, тому що одне може бути плавно і безперервно сформовано в інше.
Розглянемо петлю, яку ми зробили, коли обертали одну частинку навколо іншої. У трьох вимірах цю петлю можна стиснути до точки. Топологічно це виглядає так, як якщо б частка взагалі не рухалася. Однак в двох вимірах петля не може стискуватися, вона застряє на інший частці. Це означає, що стиснути петлю в процесі не вийде. Через це обмеження - виявленого тільки в двох вимірах - петля однієї частинки навколо інший не еквівалентна перебуванню частки в тому ж самому місці. Так, голова йде обертом. Ось чому фізикам знадобився третій клас частинок - еніони. Їх хвильові функції не обмежені двома рішеннями, що визначають ферміони і бозони і ці частинки не є ні тим, ні іншим.
На початку 1980-х років фізики вперше використовували ці умови для спостереження «дрібного квантового ефекту Холла», при якому електрони збираються разом, щоб створити так звані квазічастинки, що мають частку заряду одного електрона. У 1984 році в основоположною двохсторінковій роботі Френка Вильчека, Даніеля Ароваса і Джона Роберта Шриффера було показано, що ці квазічастинки можуть бути будь-якими. Але вчені ніколи не спостерігали такої поведінки квазичастиц, а значить не могли довести, що аніони не схожі ні на ферміони, ні на бозони.
Це цікаво: Чому квантова фізика те саме магії?
Ось чому нове дослідження революційно - фізика нарешті вдалося довести, що еніони поводяться як щось середнє між поведінкою бозонів і ферміонів. Цікаво й те, що в 2016 році три фізика описали експериментальну установку, що нагадує крихітний адронний коллайдер в двох вимірах. Лютого і його колеги побудували щось подібне щоб виміряти флуктуації струмів в колайдері.
Їм вдалося показати, що поведінка еніони в точності відповідає теоретичним прогнозам. У загальному і цілому автори наукової роботи сподіваються, що заплутані еніони зможуть зіграти важливу роль у створенні квантових комп'ютерів. Детальніше про те, що таке квантовий комп'ютер і як він працює, читайте в матеріалі мого колеги Раміса Ганиева.