Теоретики впадают в неистовство из-за «фрактонов» — странных, но потенциально полезных гипотетических частиц, которые могут двигаться только в сочетании друг с другом. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Это моделирование показывает, как материал, заполненный фрактонами, может рассеивать пучок нейтронов.
Введение
Ваш стол состоит из отдельных, отдельных атомов, но издалека его поверхность кажется гладкой. Эта простая идея лежит в основе всех наших моделей физического мира. Мы можем описать происходящее в целом, не увязая в сложных взаимодействиях между каждым атомом и электроном.
Поэтому, когда было открыто новое теоретическое состояние материи, микроскопические свойства которого упорно сохраняются во всех масштабах, многие физики отказались верить в его существование.
«Когда я впервые услышал о фрактонах, я сказал, что это никак не может быть правдой, потому что это полностью противоречит моим предубеждениям о том, как ведут себя системы», — сказал Натан Сейберг, физик-теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. «Но я ошибался. Я понял, что жил в отрицании».
Теоретическая возможность существования фрактонов удивила физиков в 2011 году. В последнее время эти странные состояния материи подводят физиков к новым теоретическим концепциям, которые могут помочь им решить некоторые из самых сложных проблем фундаментальной физики.
Фрактоны — это квазичастицы — частицы-подобные сущности, которые возникают из сложных взаимодействий между многими элементарными частицами внутри материала. Но фрактоны странны даже по сравнению с другими экзотическими квазичастицами, потому что они полностью неподвижны или способны двигаться только ограниченным образом. В их среде нет ничего, что останавливало бы фрактоны от движения; скорее, это их неотъемлемое свойство. Это означает, что микроскопическая структура фрактонов влияет на их поведение на больших расстояниях.
«Это совершенно шокирует. Для меня это самая странная фаза материи», — сказал Се Чэнь, теоретик конденсированного состояния в Калифорнийском технологическом институте.
Частичные частицы
В 2011 году Чонван Хаах, тогда аспирант Калтеха, искал необычные фазы материи, которые были бы настолько стабильны, что их можно было бы использовать для защиты квантовой памяти даже при комнатной температуре. Используя компьютерный алгоритм, он открыл новую теоретическую фазу, которая стала называться кодом Хааха. Фаза быстро привлекла внимание других физиков из-за странно неподвижных квазичастиц, которые ее составляют.
Они казались, по отдельности, просто дробями частиц, способными двигаться только в комбинации. Вскоре было найдено больше теоретических фаз с похожими характеристиками, и поэтому в 2015 году Хаах — вместе с Сагаром Виджаем и Лян Фу — ввел термин «фрактоны» для странных частичных квазичастиц. (Более ранняя, но упущенная из виду статья Клаудио Шамона теперь считается первоначальным открытием поведения фрактонов.)
Чтобы увидеть, что такого исключительного в фазах фрактонов, рассмотрим более типичную частицу, например, электрон, свободно движущийся сквозь материал. Странный, но привычный способ, которым некоторые физики понимают это движение, заключается в том, что электрон движется, потому что пространство заполнено парами электрон-позитрон, которые на мгновение появляются и исчезают. Одна такая пара появляется так, что позитрон (противоположно заряженная античастица электрона) оказывается на вершине исходного электрона, и они аннигилируют. Это оставляет электрон из пары, смещенный с исходного электрона. Поскольку нет способа различить два электрона, все, что мы воспринимаем, — это один движущийся электрон.
Теперь вместо этого представьте, что пары частиц и античастиц не могут возникнуть из вакуума, а только квадраты из них. В этом случае может возникнуть квадрат, так что одна античастица лежит поверх исходной частицы, аннигилируя этот угол. Затем из вакуума выскакивает второй квадрат, так что одна из его сторон аннигилирует со стороной первого квадрата. Это оставляет позади противоположную сторону второго квадрата, также состоящую из частицы и античастицы. Результирующее движение — это движение пары частица-античастица, движущейся вбок по прямой линии. В этом мире — примере фрактонной фазы — движение отдельной частицы ограничено, но пара может двигаться легко.
Код Хааха доводит это явление до крайности: частицы могут двигаться только тогда, когда новые частицы вызываются в бесконечно повторяющихся узорах, называемых фракталами. Допустим, у вас есть четыре частицы, расположенные в квадрате, но когда вы приближаете каждый угол, вы обнаруживаете еще один квадрат из четырех частиц, которые находятся близко друг к другу. Снова приближаете угол, и вы обнаруживаете еще один квадрат, и так далее. Для того, чтобы такая структура материализовалась в вакууме, требуется так много энергии, что невозможно переместить этот тип фрактона. Это позволяет хранить в системе очень стабильные кубиты — биты квантовых вычислений — поскольку окружающая среда не может нарушить деликатное состояние кубитов.
Неподвижность фрактонов делает их очень сложными для описания как гладкого континуума издалека. Поскольку частицы обычно могут свободно перемещаться, если вы подождете достаточно долго, они перейдут в состояние равновесия, определяемое объемными свойствами, такими как температура или давление. Начальные местоположения частиц перестают иметь значение. Но фрактоны застревают в определенных точках или могут перемещаться только в комбинации вдоль определенных линий или плоскостей. Описание этого движения требует отслеживания различных местоположений фрактонов, и поэтому фазы не могут избавиться от своего микроскопического характера или подчиниться обычному описанию континуума.
Их решительное микроскопическое поведение делает «сложной задачу представить примеры фрактонов и глубоко задуматься о том, что возможно», — сказал Виджай, теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Без непрерывного описания, как мы можем определить эти состояния материи?»
«Мы упускаем большую часть вещей», — сказал Чэнь. «Мы понятия не имеем, как их описать и что они означают».
Новая структура Fracton
Фрактоны еще не созданы в лаборатории, но это, вероятно, изменится. Было показано, что некоторые кристаллы с неподвижными дефектами математически подобны фрактонам. И теоретический ландшафт фрактона развернулся дальше, чем кто-либо ожидал, и новые модели появляются каждый месяц.
«Вероятно, в ближайшем будущем кто-нибудь возьмется за одно из этих предложений и скажет: «Хорошо, давайте проведем какой-нибудь героический эксперимент с холодными атомами и точно реализуем одну из этих фрактонных моделей»», — сказал Брайан Скиннер, физик-теоретик из Университета штата Огайо, разработавший фрактонные модели.
Даже без их экспериментальной реализации сама теоретическая возможность существования фрактонов вызвала тревогу у Зайберга, ведущего эксперта в области квантовой теории поля — теоретической основы, в рамках которой в настоящее время описываются почти все физические явления.
Квантовая теория поля описывает дискретные частицы как возбуждения в непрерывных полях, которые простираются через пространство и время. Это самая успешная физическая теория, когда-либо открытая, и она охватывает Стандартную модель физики частиц — впечатляюще точное уравнение, управляющее всеми известными элементарными частицами.
«Фрактоны не вписываются в эту структуру. Поэтому я считаю, что структура неполна», — сказал Зайберг.
Есть и другие веские причины полагать, что квантовая теория поля неполна — во-первых, она пока не учитывает силу гравитации. Если они смогут выяснить, как описать фрактоны в рамках квантовой теории поля, Зайберг и другие теоретики предвидят новые подсказки к жизнеспособной теории квантовой гравитации.
«Дискретность фрактонов потенциально опасна, поскольку она может разрушить всю структуру, которая у нас уже есть», — сказал Зайберг. «Но либо вы говорите, что это проблема, либо вы говорите, что это возможность».
Он и его коллеги разрабатывают новые квантовые теории поля, которые пытаются охватить странности фрактонов, допуская некоторое дискретное поведение поверх основы непрерывного пространства-времени.
«Квантовая теория поля — очень тонкая структура, поэтому мы хотели бы менять правила как можно меньше», — сказал он. «Мы ходим по очень тонкому льду, надеясь перебраться на другую сторону».
Источник: www.quantamagazine.org
