Законы квантовой механики описывают поведение элементарных частиц.
2020 год запомнится миру не только как год, побивший все мыслимые и немыслимые температурные рекорды, но и как период человеческой истории, в ходе которого было доказано существование третьего царства частиц под названием «анионы», которые существуют в двух измерениях одновременно. Вообще, говоря о физике частиц, необходимо отметить, что до недавнего времени их существовало всего две категории или царства бозоны и фермионы. Критерий деления элементарных частиц на два лагеря это значение спина, квантового числа, которое характеризует собственный момент импульса частицы. Иными словами, если спин отдельно взятой частицы определяется целым числом перед вами бозон, а если полуцелым фермион. В этом году исследователи обнаружили первые признаки существования третьего царства частиц анионов, поведение которых не похоже на поведение ни бозонов, ни фермионов. Рассказываем что такое анионы и почему их открытие имеет огромное значение для современной физики.
Каждая последняя частица во Вселенной от космических лучей до кварков является либо фермионом, либо бозоном. Эти категории делят строительные блоки Вселенной на два различных царства. В уходящем 2020 году исследователи обнаружили первые признаки существования третьего царства частиц анионов. Интересно что анионы не ведут себя ни как фермионы, ни как бозоны; вместо этого их поведение находится где-то посередине.
В статье, опубликованной летом 2020 года в журнале Science, физики обнаружили первые экспериментальные доказательства того, что эти частицы не вписываются ни в одно из известных физикам царств. «Раньше у нас были бозоны и фермионы, а теперь у нас есть это третье царство элементарных частиц», сказал Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института в интервью изданию Quanta Magazine.
Так как законы квантовой механики, описывающие поведение элементарных частиц, сильно отличаются от известных законов классической физики, понять их довольно трудно. Чтобы сделать это, исследователи предлагают представить себе… рисунок петель. Все потому, что когда анионы сплетены, один из них как бы «обвивается» вокруг другого, изменяя квантовые состояния.
В ходе научного исследования ученые доказали, что анионы принадлежат к отдельному классу элементарных частиц.
Еще больше увлекательных статей о законах квантовой
механики и последних открытиях в области физики читайте на нашем канале
в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на
сайте.
Итак, представьте себе две неразличимые частицы, похожие на электроны. Возьмите одну, а затем обмотайте ее вокруг другой так, чтобы она вернулась туда, откуда начала свой путь. На первый взгляд может показаться что ничего не изменилось. И действительно, на математическом языке квантовой механики две волновые функции, описывающие начальное и конечное состояния, должны быть либо равны, либо иметь отклонение в одну единицу. (В квантовой механике вы вычисляете вероятность того, что наблюдаете, возведя в квадрат волновую функцию, так что этот коэффициент 1 вымывается).
Если волновые функции частицы идентичны, то перед вами бозоны. А если они отклоняются на 1 коэффициент, то вы смотрите на фермионы. И хотя вывод, полученный в ходе нового исследования может показаться чисто математическим упражнением, он имеет серьезные последствия для современной физики.
Исследователи также отмечают, что фермионы это антисоциальные члены мира частиц, так как никогда не занимают одно и то же квантовое состояние. Из-за этого электроны, которые относятся к классу фермионов, попадают в различные атомные оболочки вокруг самого атома. Из этого простого явления возникает большая часть пространства в атоме удивительное разнообразие периодической системы и вся химия.
Читайте также:
Ученые приблизились к пониманию того, почему существует
Вселенная
Бозоны, с другой стороны, являются стадными частицами, обладающими счастливой способностью объединяться и разделять одно и то же квантовое состояние. Таким образом, фотоны, которые относятся к классу бозонов, могут проходить друг через друга, позволяя световым лучам беспрепятственно перемещаться, а не рассеиваться.
Бозон Хиггса это событие, вытекающие из столкновений между протонами в Большом адронном коллайдере CERN. При столкновении в центре частица распадается на два фотона (пунктирные желтые и зеленые линии)
Но что произойдет, если закольцевать одну квантовую частицу вокруг другой? Вернется ли она в исходное квантовое состояние? Чтобы понять произойдет это или нет, необходимо углубиться в краткий курс топологии математического изучения форм. Считается, что две формы топологически эквивалентны, если одна может быть преобразована в другую без каких-либо дополнительных действий (склеивания или разделения). Пончик и кофейная кружка, как гласит старая поговорка, топологически эквивалентны, потому что одно может быть плавно и непрерывно сформировано в другое.
Рассмотрим петлю, которую мы сделали, когда вращали одну частицу вокруг другой. В трех измерениях эту петлю можно сжать до точки. Топологически это выглядит так, как если бы частица вообще не двигалась. Однако в двух измерениях петля не может сжиматься, она застревает на другой частице. Это означает, что сжать петлю в процессе не получится. Из-за этого ограничения обнаруженного только в двух измерениях петля одной частицы вокруг другой не эквивалентна пребыванию частицы в том же самом месте. Да, голова идет кругом. Вот почему физикам понадобился третий класс частиц анионы. Их волновые функции не ограничены двумя решениями, определяющими фермионы и бозоны и эти частицы не являются ни тем ни другим.
«Топологический аргумент стал первым признаком существования анионов», считает один из авторов научной работы Гвендаль Фев, физик из Сорбоннского университета в Париже. Когда электроны ограничены в движении в двух измерениях, они охлаждаются почти до абсолютного нуля, подвергаясь воздействию сильного магнитного поля.
Исследователи построили в лаборатории маленький адронный коллайдер чтобы доказать существование анионов.
В начале 1980-х годов физики впервые использовали эти условия для наблюдения «дробного квантового эффекта Холла», при котором электроны собираются вместе, чтобы создать так называемые квазичастицы, имеющие долю заряда одного электрона. В 1984 году в основополагающей двухстраничной работе Фрэнка Вильчека, Даниэля Ароваса и Джона Роберта Шриффера было показано, что эти квазичастицы могут быть любыми. Но ученые никогда не наблюдали подобного поведения квазичастиц, а значит не могли доказать, что анионы не похожи ни на фермионы, ни на бозоны.
Это интересно:
Почему квантовая физика сродни магии?
Вот почему новое исследование революционно физика наконец удалось доказать, что анионы ведут себя как нечто среднее между поведением бозонов и фермионов. Интересно и то, что в 2016 году три физика описали экспериментальную установку, напоминающую крошечный адронный коллайдер в двух измерениях. Фев и его коллеги построили нечто подобное чтобы измерить флуктуации токов в коллайдере.
Им удалось показать, что поведение анионов в точности соответствует теоретическим предсказаниям. В общем и целом авторы научной работы надеятся, что запутанные анионы смогут сыграть важную роль в создании квантовых компьютеров. Подробнее о том, что такое квантовый компьютер и как он работает, читайте в материале моего коллеги Рамиса Ганиева.
Вулканическая лава не может полностью уничтожить деревья. Сейчас выясним, почему
Каждый год на Земле происходит около 60 извержений вулканов. Некоторые из них застают нас врасплох, поэтому становятся причиной разрушений многих зданий
Нет ничего более теплого, чем виниловый проигрыватель и приглушенный свет.
Возможно, многие из вас помнят те времена, когда музыка была в основном на пластинках. Кто-то родился позже, но застал такие проигрыватели у
Космическая пыль под микроскопом похожа на облака
Космос гораздо ближе к нам, чем кажется. Воздух на нашей планете буквально насыщен космической пылью, которая образуется при разрушении комет, астероидов и других подобных объек
Людей с настоящими рыжими волосами очень мало всего около 2% от всего населения Земли
Если верить статистике, рыжим цветом волос и бледной кожей обладает только 1-2% населения Земли. Чаще всего рыжие люди живут на севере и западе
Человек произошел от растительноядного предка, но вегетарианцем никогда не являлся
Вегетарианцами и веганами принято называть людей, которые осознанно отказались от употребления мяса животных. Они уверены, что человеческий орга
В прошлом году мальчик из города Духок, в Ираке, перенес операцию по удалению двух лишних мужских половых органов.
Чего только в мире не происходит в прошлом году в Ираке родился мальчик с первым зарегистрированным в истории случаем трифалли
Квантовая физика интригует, так как содержит в своей основе некоторую тайну.
Если квантовая теория верна, то от таких квантовых частиц как атомы, можно ожидать очень странного поведения. Но несмотря на хаос, коим может показать
Некоторые ученые полагают, что существует связь между сознанием и квантовой физикой.
Никто не знает что такое сознание и как оно устроено. Безусловно, у ученых из разных областей науки есть самые разные предположения на этот счет, од
Новый подход может выявить связь между гравитацией и квантовой механикой
Классические модели физики законы движения Ньютона и Общая теория относительности Эйнштейна предполагают, что такие свойства объекта как положение и движ
Ученые хотят доказать, что время движется в разных направлениях с помощью ядерного реактора.
Что такое время и может ли быть так, что все наши представления о нем ошибочны? Если попробовать разобраться, окажется, что человечество воспри
Теорий, гипотез, теорем и просто рассуждений очень много. Все их надо доказывать.
Все началось еще в конце XIX века, когда ученый из Франции, Анри Пуанкаре, изучал различные части систем, которые могут быть полностью проа
Кадр из сериала «Черное зеркало», эпизод Playtest.
В одной из серий мультсериала «Рик и Морти» один из главных героев, будучи похищенным инопланетянами, попадает в ультра-высокотехнологичную компьютерную симуляцию и не замечает этого, продолжа
Команда ученых предложила новый способ для разрешения кризиса в космологии с помощью гравитационных волн.
ХХ век подарил миру множество удивительных открытий: в 1916 году знаменитый на весь мир физик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал общу
Впервые физики использовали лазерный свет (фиолетовый) для охлаждения антиматерии. Серые линии показывают движение атома антиводорода до охлаждения; синие-после.
Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсо
Мюонное кольцо g-2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США), работает при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту и изучает колебания мюонов при прохождении через магнитное поле.
Вот и наступил д
Мюонное кольцо g-2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США), работает при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту и изучает колебания мюонов при прохождении через магнитное поле.
Вот и наступил д
Чего только не обнаружишь в Большом адронном коллайдере.
В 2008 году в Европе состоялся запуск гигантского ускорителя заряженных частиц Большого адронного коллайдера (БАК). Тогда казалось, что мир словно сошел с ума. Но не от радости за достиж
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивн
Впервые физики использовали лазерный свет (фиолетовый) для охлаждения антиматерии. Серые линии показывают движение атома антиводорода до охлаждения; синие-после.
Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсо
Сотрудники службы безопасности в полном защитном снаряжении у здания полевого госпиталя скорой помощи Лейженшань в Ухане, Китай, в апреле прошлого года.
Ну что, кажется давненько тут не было новостей о коронавирусе, так что исправляем с
Один из миллионов: ДНК-не единственная генетическая молекула
Согласно результатам нового исследования, миллионы возможных химических соединений могут быть использованы для хранения генетической информации. Более того, ученые предполагают, что
В прошлом году мальчик из города Духок, в Ираке, перенес операцию по удалению двух лишних мужских половых органов.
Чего только в мире не происходит в прошлом году в Ираке родился мальчик с первым зарегистрированным в истории случаем трифалли
Несмотря на то, что высадка на Луну состоялась в 1968 году, сегодня тысячи людей по всему миру не верят, что люди и правда были на Луне.
Жители Древнего Рима распространяли теории заговора, царапая граффити на городских стенах. В 1307 году
Возможно в будущем мы навсегда забудем о зубных имплантах.
Представьте, что после визита к стоматологу и удаления одного из 32 зубов, вместо установки коронок, мостов и имплантов потерянный зуб просто снова вырастает. Согласитесь, будь это во