2020 vai lembrar-se do mundo não só como um ano que quebrou todos os registros de temperatura imagináveis e inconcebíveis, mas também como um período de história humana, durante o qual a existência do terceiro reino de partículas denominou "Enina", que existem em duas dimensões no mesmo tempo. Em geral, falando de física de partículas, deve-se notar que até recentemente havia apenas duas categorias ou reinos - Bosons e Fermions. O critério para dividir partículas elementares em dois acampamentos é o valor da parte de trás, número quântico, que caracteriza seu próprio momento do pulso de partículas. Em outras palavras, se as partículas tiradas separadamente forem determinadas por um inteiro - na frente de você Boson, e se o meia-ranger é férmio. Este ano, os pesquisadores descobriram os primeiros sinais da existência do terceiro reino de partículas - enínias, cujo comportamento não é como o comportamento de nem bósons ou férmions. Dizemos o que é que as enionas são e por que sua descoberta é de grande importância para a física moderna.
O que é "enina"?
Cada última partícula no universo é de raios cósmicos para quarks - fermion ou bóson. Essas categorias dividem os blocos de construção do universo em dois reinos diferentes. Nos últimos 2020, os pesquisadores descobriram os primeiros sinais da existência do Terceiro Reino de Partículas - Enionas. Curiosamente, os eníns não se comportam como férmions, nem como Bosons; Em vez disso, seu comportamento é em algum lugar no meio.
No artigo, publicado no verão de 2020, na revista Ciência, os físicos descobriram a primeira evidência experimental de que essas partículas não se encaixam em nenhum dos fisicultores conhecidos dos reinos. "Nós costumávamos ter bósons e férmions, e agora temos este terceiro reino de partículas elementares", disse Frank Wilchk, o vencedor do Prêmio Nobel em Física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em uma entrevista com a Revista Quanta.
Como as leis da mecânica quântica, descrevendo o comportamento das partículas elementares, são muito diferentes das leis bem conhecidas da física clássica, eles os entendem bastante. Para fazer isso, os pesquisadores oferecem para imaginar ... Loops. Tudo porque quando os eníns são tecidos, um deles é "embrulhado" ao redor do outro, mudando os estados quânticos.
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Então imagine duas partículas indistinguíveis semelhantes aos elétrons. Tome um e, em seguida, enrole-o em outro para que ele retorne a onde eu comecei meu caminho. À primeira vista, pode parecer que nada mudou. E, de fato, na linguagem matemática da mecânica quântica, duas funções de ondas descrevendo os estados iniciais e finais devem ser iguais ou ter um desvio em uma unidade. (Na mecânica quântica, você calcula a probabilidade de observar, comendo uma função de onda em um quadrado, para que este coeficiente - 1 seja lavado).
Se as funções de ondas da partícula são idênticas, então antes de vocês Bosons. E se forem rejeitados por 1 coeficiente, então você olha para fermions. E embora a conclusão obtida no decorrer de um novo estudo possa parecer exercícios puramente matemáticos, tem sérias conseqüências para a física moderna.
Três reinos de partículas elementares
Os pesquisadores também observam que as férmions são membros antissociais do mundo das partículas, já que nunca ocupam o mesmo estado quântico. Por causa disso, os elétrons que pertencem à classe de férmion caem em várias conchas atômicas ao redor do próprio átomo. Deste fenômeno simples há uma maioria do espaço no átomo - uma incrível variedade de sistema periódico e toda a química.
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Bosons, por outro lado, são partículas de rebanho que têm uma capacidade feliz de combinar e separar o mesmo estado quântico. Assim, os fótons que pertencem à classe de Bosons podem passar um para o outro, permitindo que os raios de luz se movam livremente e não se dissipem.
Mas o que acontece se você tem uma partícula quântica em torno de outra? Vai retornar ao estado quântico original? Para entender isso ou não, é necessário aprofundar em um curto espaço de topologia - exame matemático de formas. Acredita-se que duas formas são topologicamente equivalentes se alguém pode ser transformado em outro sem quaisquer ações adicionais (colagem ou separação). Donut e caneca de café, como diz o velho ditado, são topologicamente equivalentes, porque se pode ser suave e continuamente formado para outro.
Considere um loop que fizemos quando uma partícula girava ao redor do outro. Em três dimensões, esse loop pode ser espremido até o ponto. Topologicamente, parece que se a partícula não se movesse nada. No entanto, em duas dimensões do loop não pode encolher, preso em outra partícula. Isso significa que não funcionará o loop no processo. Por causa dessas restrições - detectadas apenas em duas dimensões - o loop de uma partícula ao redor do outro não é equivalente à residência da partícula no mesmo lugar. Sim, a cabeça continua. É por isso que os físicos precisavam da terceira classe de partículas - Eniona. Suas funções de ondas não se limitam a duas decisões que definem férmions e bósons e essas partículas não são outras.
No início dos anos 80, a física pela primeira vez usou essas condições para observar o "efeito hall quântico fracionário", no qual os elétrons são coletados juntos para criar os chamados quasiparticles que têm um derrame de um elétron. Em 1984, no trabalho fundamental de duas páginas, Frank Willchek, Daniel Alovaya e John Robert Sriffera mostraram que essas quasiparticles podem ser de qualquer maneira. Mas os cientistas nunca observaram tal comportamento de quasipartículos e, portanto, não poderia provar que os ânions não são parecidos de nenhuma férmita ou Bosons.
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É por isso que um novo estudo é revolucionário - a física finalmente conseguiu provar que as enionas se comportam como uma cruz entre o comportamento dos bósons e férmões. Curiosamente, em 2016, três física descreveram uma configuração experimental, assemelhando-se a um pequeno colisão de intrão em duas dimensões. Fev e seus colegas construíram algo semelhante para medir as flutuações de correntes em colisão.
Eles conseguiram mostrar que o comportamento das eníns corresponde exatamente às previsões teóricas. Em geral, os autores do trabalho científico esperam que os eníons confusos possam desempenhar um papel importante na criação de computadores quânticos. Saiba mais sobre o que é um computador quântico e como funciona, leia no material do meu colega Ramis Ganiev.