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 «энионы», 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 энионов, поведение которых не похоже на поведение ни бозонов, ни фермионов. Рассказываем что такое энионы 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 энионов. Интересно что энионы 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 энионы сплетены, один из них как бы «обвивается» вокруг другого, изменяя квантовые состояния.
В ходе научного исследования ученые доказали, что энионы 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 энионы. 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 энионов», 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 энионов.
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 энионы 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 энионов в точности соответствует теоретическим предсказаниям. В общем и целом авторы научной работы надеятся, что запутанные энионы 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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Золото во все времена было больше, чем просто металлом.
Золото — это не просто металл или химический элемент. Веками за него проливалась кровь, империи развязывали войны, а его мутный блеск толкал людей на самые безумные поступки самого разного
Рост населения способствует экологическим проблемам. Но действительно ли это так?
В ближайшие годы на свет появится 8-миллиардный житель Земли. При этом во второй половине ХХ века население планеты составляло всего три миллиарда человек. Научн
Ученые нашли гробницы возрастом 3000 лет с заживо похороненными людьми и лошадьми
Во время раскопок в городе Аньян в Китае исследователями был обнаружен комплекс гробниц возрастом около 3000 лет, который принадлежал богатому клану. Находка была обна
Возможно, в будущем случаев сильного обморожения будет меньше
Зимой, при температуре воздуха ниже 15 градусов Цельсия, каждый человек рискует подвергнуться обморожению. Так называется явление, когда при сильном холоде в ткани
Ученые в СЩА пересадили человеку две почки свиньи
Свиньи близки к человеку по строению внутренних органов. Легкие, почки, сердце и печень практически одинаковые. При этом, в отличие от многих других животных, температура тела свиньи так
Ученые обнаружили черную дыру, из которой возникают звезды
Что мы знаем о черных дырах? В первую очередь то, что они представляют собой области пространства-времени, которые обладают невероятно мощным гравитационным полем. Его сила
Как описать все, что мы видим и делаем, в одном уравнении?
ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания. Мы знаем, что состоим из атомов, которые вырвались в космическое пространство из недр сверхновых звезд. Эти мельчайшие частицы х
Если существует множество миров, то чем мы заняты в них?
Стандартным способом понимания квантовой физики является Копенгагенская интерпретация предложенная Нильсом Бором, одним из создателей современной физики. Согласно интерпретации к
Живем ли мы в компьютерной симуляции и как это узнать?
Как появилась Вселенная? Мы знаем, что Большой взрыв состоялся около 14 млрд лет назад, сде
Исследователи нашли Способ отслеживать
квантовые частицы, не наблюдая за ними
В 2017 году исследователи из Кембриджского университета, кажется, добились невозможного они открыли способ наблюдать квантовые частицы, не наблюдая при этом за н
Q-balls странные квантовые объекты, способные вызывать гравитационные волны
Каждый из нас хочет знать кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но
Ученые обнаружили необычный способ превращения твердых объектов в невидимые с помощью рассеяния световых волн
Кто из нас в детстве не мечтал о шапке-невидимке? Или о волшебном плаще, надев который, вас не увидит ни одно живое существо на
Как описать все, что мы видим и делаем, в одном уравнении?
ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания. Мы знаем, что состоим из атомов, которые вырвались в космическое пространство из недр сверхновых звезд. Эти мельчайшие частицы х
Если существует множество миров, то чем мы заняты в них?
Стандартным способом понимания квантовой физики является Копенгагенская интерпретация предложенная Нильсом Бором, одним из создателей современной физики. Согласно интерпретации к
Можно ли отправиться в прошлое, изменить его и вернуться обратно?
Кто из нас не мечтал о путешествиях во времени? Например, о путешествии в прошлое чтобы спасти кого-то от фатальной ошибки, собрать доказательства нераскрытых преступлений и ув
Исследователи нашли Способ отслеживать
квантовые частицы, не наблюдая за ними
В 2017 году исследователи из Кембриджского университета, кажется, добились невозможного они открыли способ наблюдать квантовые частицы, не наблюдая при этом за н
В Китае обнаружили окаменелость цветка, который не должен был существовать
Китайские ученые на днях сообщили, что ими на территории Китая была обнаружена окаменелость древнего цветка. Самое удивительное в этой находке ее возраст, к
Рост населения способствует экологическим проблемам. Но действительно ли это так?
В ближайшие годы на свет появится 8-миллиардный житель Земли. При этом во второй половине ХХ века население планеты составляло всего три миллиарда человек. Научн
Ученые нашли гробницы возрастом 3000 лет с заживо похороненными людьми и лошадьми
Во время раскопок в городе Аньян в Китае исследователями был обнаружен комплекс гробниц возрастом около 3000 лет, который принадлежал богатому клану. Находка была обна
На шумерской мозаике возрастом 4500 лет изображены боевые ослы кунга
Считается, что люди впервые завели домашних животных примерно 10 тыс. лет назад. Со временем они не только освоили животноводство, но и стали выводить новые породы животных, которы
Ученые, возможно, нашли подсказки тому, как возникли первые формы жизни на Земле
Один из самых главных, и в то же время сложных вопросов биологии, который остается без ответа как из простых неживых материалов на безжизненной планете, могли возникнут
Подростки на карантине стали больше спать, что положительно отразилось на их здоровье
Наверняка каждый помнит, до чего же в детстве было неприятно просыпаться по утрам, чтобы успеть к первому уроку. Как недавно выяснили швейцарские у
