Fizyka ze szczyptą egzotyki? Tylko że egzotyki coraz więcej w fizyce. Gabinet frapujących osobliwości
Dwa lata temu media donosiły o nanocząstkach połączonych z DNA, które zachowują się jak elektrony. Naukowcy z Uniwersytetu Northwestern dokonali dziwnego i zaskakującego odkrycia. W kryształach koloidalnych maleńkie nanocząstki wędrują podobnie jak elektrony i działają jak klej spajający materiał.
Fizycy wiedzą, że elektrony przepływające przez metale lub grafen czasem zachowują się jak ciecze. Niedawno fizycy z MIT i Weizmann Institute of Science odkryli dodatkowo elektrony płynące w wirach. Teoretycy przewidywali, że elektrony powinny wykazywać takie zachowanie typowe dla cieczy, ale której nigdy wcześniej nie zaobserwowano. Naukowcy do obserwacji wirów elektronowych wykorzystali dwutellurek wolframu (WTe2), związek metaliczny, który, jak odkryto, wykazuje egzotyczne właściwości elektryczne, gdy jest izolowany w dwuwymiarowej warstwie o grubości atomowej.
Z kolei inny zespół, kierowany przez Hongkuna Parka i Eugene’a Demlera z Harvardu, odkrył, że gdy w warstwach półprzewodnika znajdowała się określona liczba elektronów, zatrzymywały się one w miejscu i stały "nieruchomo". W końcu badacze przypomnieli sobie stary pomysł związany z kryształami Wignera (1), który obliczył, że z powodu wzajemnego odpychania elektrostatycznego elektrony w monowarstwie przyjmą wzór siatkowy. Skupienie elektronów w atomowej siatce oznacza, że ich ruch wewnątrz materiału jest niewielki. Jest to zarazem definicja izolatora. Elektrony nie poruszały się, więc nie było też przepływu prądu. Zatem izolatorami są paradoksalnie kryształy składające się w 100% z elektronów.
Kwarkowe ZOO
Egzotyczne zachowania elektronów to tylko rozgrzewka dla fizyków. Znaleźli w ostatnich latach trzy nowe przykłady bardzo egzotycznej formy materii zbudowanej z kwarków. Fizycy w laboratorium CERN ogłosili niedawno odkrycie dwóch różnych "tetrakwarków" i "pentakwarka" (2), które powstały w wyniku zderzeń par protonów zderzających się ze sobą z prędkościami bardzo bliskimi prędkości światła.
Kwarki zostały zaproponowane w 1964 roku przez amerykańskiego fizyka Murraya Gell-Manna jako rozwiązanie wielkiego wówczas problemu. Od końca lat 40. do początku lat 60. fizycy odkryli setki cząstek zawrotnej liczbie mas, ładunków elektrycznych, czasów życia i sposobów oddziaływania. Odkryto tak wiele różnych cząstek o tak zróżnicowanych właściwościach, że ówcześni badacze nazywali tę menażerię "zoo cząstek". Gell-Mann przełamał to zamieszanie, gdy zdał sobie sprawę, że cząstki w tym zoo nie były najmniejszymi obiektami w przyrodzie. Pierwotny pomysł Gell-Manna zakładał istnienie trzech rodzajów kwarków, które nazwał kwarkiem górnym, kwarkiem dolnym i kwarkiem dziwnym.
Najcięższe cząstki znane w tamtym czasie były kombinacjami trzech kwarków. Na przykład znany nam proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, podczas gdy neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Nazwa dla tych ciężkich cząstek to "bariony" od greckiego słowa barus (ciężki). Przykładem barionu jest proton (3). Cząstki średniej masie nazywane są mezonami, od słowa mesos (środek). Mezony składają się z kwarka i antykwarka. Najczęściej spotykany mezon nazywany jest mezonem pi (pion), składa się on z kwarka gór-nego i kwarka dolnego antymaterii. Najlżejsze cząstki, zwane "leptonami", pochodzące z greckiego leptos (światło), są zupełnie inną klasą cząstek i nie zawierają kwarków. Najbardziej znaną z nich jest elektron.
Teoria kwarków przewidywała również istnienie cząstek, które nie zostały jeszcze zaobserwowane w czasie, gdy teoria została zaproponowana, na przykład "barion omega", składający się z trzech dziwnych kwarków. Kwarki są częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek. Naukowcy odkryli obecnie w sumie ich sześć. Ich nazwy to: górny, dolny, powabny, dziwny, niski (piękny), wysoki (prawdziwy). W ciągu ostatniego półwiecza badacze odkryli większość możliwych sposobów, w jakie mogą łączyć się trzy naraz lub jako para kwarków z antymaterią.
Jednak w oryginalnej pracy Gell-Mann nie ograniczył możliwych konfiguracji kwarków tylko do trójkwarkowych barionów i mezonów z parą kwarkantykwark. Postulował również istnienie czteroskładnikowego tetrakwarka (złożonego z dwóch kwarków i dwóch antykwarków) oraz pięcioskładnikowego pentakwarka (złożonego z czterech kwarków i antykwarka).
Poszukiwania tych cząstek przez lata były bezskuteczne. W końcu potwierdzono, że istnienie tetrakwarków i pentakwarków. Dwie z tych odkrytych cząstek to tetrakwarki. Jedna z nich składa się z kwarka powabnego, kwarka górnego, antykwarka dolnego i antykwarka dziwnego, druga z kwarka powabnego, kwarka dolnego, antykwarka górnego i antykwarka dziwnego. Najnowszą odkrytą cząstką jest pentakwark, składający się z kwarka powabnego i jego antykwarka w połączeniu z kwarkiem górnym, dolnym i dziwnym. To pierwszy odkryty pentakwark zawierający kwark dziwny.
Jakie jest znaczenie odkrycia nowych przykładów bardzo egzotycznych form materii? Pozwala nam to lepiej poznać naturę silnych oddziaływań jądrowych w ekstremalnych warunkach. Ma również implikacje dla naszego zrozumienia ewolucji bardzo wczesnego Wszechświata. Krótko po Wielkim Wybuchu Wszechświat był tak gorący, że kwarki swobodnie krążyły wokół niego i nie były wychwytywane do wnętrza cięższych cząstek. Około jednej milionowej sekundy po Wielkim Wybuchu, Wszechświat ochłodził się na tyle, że silne oddziaływanie jądrowe zaczęło gromadzić kwarki wewnątrz protonów i neutronów tworzących kosmos, ale w trakcie tej przemiany musiały powstać również tetrakwarki i pentakwarki. Pełne wyjaśnienie pochodzenia Wszechświata będzie wymagało badań tetrakwarków i pentakwarków.
Jak zbudowano "niemożliwe" kryształy i co to znaczy?
Trzymając się form materii - w 2012 roku laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek zaproponował istnienie nowego stanu materii - kryształu czasu. Ważnym składnikiem kryształu czasu, przynajmniej koncepcyjnie, jest część "powtarzająca się". Konwencjonalny kryształ ma strukturę powtarzającą się w przestrzeni, co oznacza, że wykazuje symetrię (struktura wszędzie wygląda tak samo). Kryształ czasowy powinien powtarzać swoją konfigurację w czasie. Zgodnie z pierwotną wizją Wilczka, kryształ czasu wystąpiłby w układzie będącym w równowadze termicznej, nieabsorbującym ani nieemitującym energii względem otoczenia.
Pierwotnie uważano, że kryształy czasu są jedynie teoretycznym konceptem, w praktyce niemożliwym do urzeczywistnienia z wielu powodów. Nie brakowało opinii, że układ, który przechodzi z niższego do wyższego stanu energetycznego, nie powróci spontanicznie do swojego pierwotnego stanu i nie będzie oscylował między tymi dwoma stanami, ponieważ musiałoby to działać jako pewien rodzaj perpetuum mobile, naruszając drugie prawo termodynamiki i zasadę zachowania energii.
Jednak po kilku latach eksperymentatorzy stworzyli te kryształy w laboratorium. W 2016 roku Norman Yao i jego zespół wpadli na metodę tworzenia kryształu czasu w bardzo sprytny sposób. Zamiast brać zamknięty, stały układ, zaproponowali wykorzystanie układu o warunkach nierównoważnych. Następnie "napędzali" ten system zewnętrznie, czyniąc go otwartym, a nie zamkniętym, i osiągając stan "kryształu czasu". To trochę skomplikowane, ale można sobie wyobrazić, że mamy grupę atomów, które mają spiny, a te spiny mają kierunki, momenty dipolowe.
Sposób, w jaki można "napędzić" system, polega na poddaniu go impulsom echa spinowego, które zawierają niedoskonałości, ale pojawiają się okresowo, pozwalając jednocześnie na losowe występowanie interakcji w czasach pośrednich. Jeśli uda się uzyskać kombinacje momentów dipolowych spinów i impulsów echa spinowego, które będą zachowywały się w określony sposób, można uzyskać kryształ czasowy. Najtrudniejsze jest jednak uniknięcie tego, co zwykle dzieje się w przypadku interakcji z układem. Jeśli dochodzi do wymiany energii, jest ona przekazywana w całym układzie, powodując gwałtowne nagrzewanie się w wyniku oddziaływań wielu ciał. Wyzwaniem było takie napędzanie systemu impulsami typu spin-flip, aby uzyskiwana była okresowa odpowiedź, proporcjonalna do okresu wysyłania impulsów, i powrocie do stanu początkowego po serii, gdy kryształ czasu jedynie oscyluje pomiędzy stanami (4). Kluczem jest impulsowanie bez "ogrzewania" systemu.
W ciągu zaledwie kilku miesięcy dwie niezależne grupy przetestowały metodę Yao. Zespoły Mikhaila Lukina na Uniwersytecie Harvarda i Christophera Monroe z University of Maryland zastosowały jednak nieco odmienne podejścia. Grupa Monroego wykorzystała układ atomów itru ustawionych w jednowymiarowej linii, połączonych ze sobą poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Kiedy poddali ją serii impulsów, odkryli, że system powraca do stanu początkowego co dwa pełne okresy impulsów. Grupa Lukina sięgnęła po kryształ diamentu, który zawierał ok. miliona zanieczyszczeń spinowych, i poddała te zanieczyszczenia impulsom w zakresie mikrofalowym. Promieniowanie to odwracało spiny, ale czasowe oscylacje kryształu obserwowano tylko co trzy pełne okresy impulsów, po czym kryształ wracał do swojego początkowego stanu kwantowego.
Gdy te kryształy czasu zostały po raz pierwszy skonstruowane na przełomie 2016 i 2017 roku, uznano, że mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych do walki z trudnym problemem dekoherencji, czyli oddziaływaniu systemów w stosunkowo krótkich skalach czasowych z otaczającymi go cząstkami, co powoduje utratę stanów kwantowych, które kodują kubity informacji. W ubiegłym roku pomysł wykorzystania kryształów czasu w obliczeniach kwantowych zaczęło badać Google.
Zamiast używać faz dynamicznych, takich jak spiny atomów, komputer kwantowy pozwala na użycie innej właściwości, np. porządku stanów własnych w układach wielu ciał. Jeśli doprowadzilibyśmy kubity do stanu równowagi, zobaczylibyśmy, że w stanach o najniższej energii panuje porządek, a w stanach o wyższych ener-giach brak porządku. Kiedy napędza się system, co ze-spół Google’a zrobił za pomocą pulsujących mikrofal, kubity mogą zachowywać się tak, jak fazy dynamiczne. Jeśli nie absorbują ciepła lub nie przekazują energii do otoczenia, mogą po prostu przeskakiwać pomiędzy różnymi uporządkowanymi stanami. Przy wystarczającej liczbie impulsów można odzyskać pierwotny stan bez naruszania stanu energetycznego systemu. Każde dwa pełne okresy impulsów mikrofalowych powodowały odzyskanie oryginalnego stanu kwantowego, kryształu czasu. Naukowcy Google’a, minimalizując dekoherencję, osiągnęli utrzymanie stan kryształu czasowego przez okres do ~100 sekund, co oczywiście nie wystarcza, ale na razie, w porównaniu ze znanymi komputerami kwantowymi, jest niezwykłym osiągnięciem.
Dzięki zdolności do wiecznego oscylowania między dwoma stanami bez utraty energii, kryształy czasu "unikają" fatum jednego z najważniejszych praw fizyki, drugiego prawa termodynamiki, które mówi, że nieporządek, lub entropia, izolowanego systemu musi zawsze wzrastać. Pozostają stabilne, opierając się rozpłynięciu w przypadkowości, mimo że istnieją w ciągłym stanie przepływu. Oczywiście w rzeczywistości nie ma tu mowy o złamaniu praw fizyki. Drugie prawo termodynamiki dotyczy układów zamkniętych, a nie otwartych. Nieporządek systemu, jeśli uwzględnimy impulsy mikrofalowe i środowisko zewnętrzne, rzeczywiście wzrasta, tak jak przewidywano. Kryształy oscylują między dopuszczalnymi stanami i wracają do pierwotnych, gdy są odpowiednio sterowane. W fizyce kwantowej perpetuum mobile jest możliwe, o ile mamy zamknięte oczy. Oznacza to, że kryształy czasu są "perpetuum mobile", gdyż nie mogą być bezpośrednio obserwowane.
Naukowcy połączyli ze sobą dwa kryształy czasowe po raz pierwszy w 2022 r. Zespół fizyków pod kierownictwem Samuli Autti z Uniwersytetu Lancaster zdołał utworzyć z nich coś, co określa się jako "system dwustanowy" lub "dwupoziomowy". W eksperymentach dwa sprzężone kryształy czasu składające się z kwazicząstek spinowych (magnonów) tworzą makroskopowy układ dwupoziomowy. Według bdaczy, w superpłynnym systemie, którego badacze użyli do swojego eksperymentu, "obserwowalny czas życia kryształu może być wydłużony do tysiąca sekund".
"Kod Haah" i inne dziwy świata faz materii
W 2019 r. wykorzystano rodzaj sztucznej inteligencji do potwierdzenia istnienia dziwacznego nowego stanu materii, w którym atomy potasu wykazują właściwości zarówno ciała stałego, jak i cieczy w tym samym czasie. Osiągnięta tak faza potasu została potwierdzona, dołącza ona do rosnącej gamy nietypowych stanów materii poza gazem, cieczą i ciałem stałym. Na tej liście jest oczywiście plazma, przegrzana, zjonizowana forma gazu, w której jądra atomowe są oddzielone od swoich elektronów, co oznacza, że mogą generować i być pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych.
Idąc dalej w stronę egzotyki mamy kondensat Bosego-Einsteina, który powstaje tylko w temperaturach bliskich zeru absolutnemu, a wszystkie atomy w tym materiale zaczynają działać jako pojedyncza cząstka. W tej strefie jest też nadprzewodnictwo, stan osiągany, gdy pewne m-tale są schłodzone do niskich temperatur, a energia elektryczna może poruszać się przez nie bez oporu i superciecze, schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, dzięki czemu przepływ odbywa się w nich bez tarcia. Można wspomnieć także o materii zdegenerowanej, występującej pod ekstremalnie wysokimi ciśnieniami osiąganymi w białych karłach i gwiazdach neutronowych, oraz o plazmie kwarkowo-gluonowej, stanie, w którym protony i neutrony rozpuszczają się w swoje składowe kwarki, które mogą swobodnie poruszać się wśród cząstek, zwanych gluonami, przenoszących oddziaływanie silne.
Lista nie jest zamknięta. Fizycy dążą do sklasyfikowania wszystkich możliwych faz materii. Mogłoby to pomóc w powstaniu wielu nowych materiałów i rozwiązań. Niektóre egzotyczne fazy nadal wymykają się naszemu zrozumieniu i opisowi. Jedne zostały zaobserwowane w laboratorium, a inne zidentyfikowane jako teoretyczne możliwości, które powstają, gdy materia jest schłodzona niemal do temperatury zera absolutnego, setki stopni poniżej punktu, w którym woda zamarza w lód. Siatka wirujących atomów staje się płynem o wirujących pętlach lub rozgałęziających się łańcuchach. Kryształy, które zaczynają jako izolatory, w określonych warunkach przewodzą prąd na swoich powierzchniach. Jedna z faz, do której jeszcze wrócimy, zawiera dziwne, podobne do cząstek "fraktony" (5), łączące się ze sobą we fraktalne wzory.
W latach 50. XX wieku uczeni wyjaśniali to, co się dzieje, gdy na przykład woda zamarza w lód, jako złamanie symetrii. Ciekła woda ma sym-trię rotacyjną w skali atomowej (wygląda tak samo w każdym kierunku), zaś cząsteczki H2O w lodzie są zamknięte w krystalicznych rzędach i kolumnach. Zmieniło się to w 1982 roku wraz z odkryciem faz, zwanych ułamkowymi kwantowymi stanami Halla w ultrazimnym, dwuwymiarowym gazie elektronowym. Te dziwne stany materii charakteryzują się powstawaniem elektronopodobnych cząstek o ułamkowych ładunkach, które robią ułamki kroków po obwodzie układu. Nie było sposobu, aby użyć różnych symetrii do opisu tych faz.
Pojawiło się też pojęcie faz topologicznych. Pojawiają się tylko w pobliżu zera absolutnego, ponieważ tylko w tak niskich temperaturach układy cząstek mogą przejść do swojego najniższej energii kwantowego "stanu podstawowego". W stanie podstawowym zachodzą oddziaływania, które są niszczone w wyższych temperaturach. W układzie splątania kwantowego cząstki stają się składnikami bardziej skomplikowanej funkcji, która opisuje je wszystkie naraz, często z zupełnie nowymi cząstkami pojawiającymi się jako wzbudzenia fazy globalnej. Wzorce splątania o dużym zasięgu, które tam powstają, są topologiczne, czyli niewrażliwe na lokalne zmiany.
W dość skomplikowanym świecie faz topologicznych wyróżnia się poziomy od jednowymiarowego, przez dwuwymiarowe po 3D. W tej ostatniej sferze faz kilka lat temu pojawiła się nowa faza materii o sensacyjnych właściwościach. Absolwent Caltech o nazwisku Jeongwan Haah odkrył fazę podczas komputerowych poszukiwań "kodu marzeń" dla kwantowego stanu podstawowego o takiej trwałości, że można go użyć do bezpiecznego przechowywania pamięci kwantowej, nawet w temperaturze pokojowej.
Wyszukaną za pomocą komputerowego algorytmu fazę materii nazwano "kodem Haah". Zawiera on cząstkowe jednostki, fraktony, które, w przeciwieństwie do wzorów pętli w, powiedzmy, kwantowej cieczy spinowej, nie są płynne. Mogą tylko przeskakiwać między pozycjami w sieci, jeśli te pozycje są obsługiwane we wzorze fraktalnym. Oznacza to, że trzeba dodać energii do systemu w każdym rogu, powiedzmy, czworościanu łączącego cztery fraktony, aby zmusić je do zmiany pozycji. Kiedy jednak powiększamy układ, widzimy, że to, co traktowaliśmy jako punkt w narożniku czworościanu, jest w rzeczywistości czterema rogami mniejszego czworościanu, i znów potrzeba energii do zmiany pozycji.
W drobniejszej skali widzimy jeszcze mniejszy czworościan i tak dalej aż do najdrobniejszej skali siatki. Fraktalny charakter oznacza, że kod Haah nigdy nie zapomina o podstawowej sieci, z której pochodzi. Co więcej, liczba stanów podstawowych w kodzie Haaha rośnie wraz z rozmiarem siatki, z której pochodzi. Eksperci twierdzą, że możliwa do zrealizowania wersja kodu miałaby ogromne znaczenie technologiczne.
Nie ma ciemnej materii, jest tylko informacja
Informacja nazywana jest piątym stanem materii, co w dodatku może dowodzić, że żyjemy w symulacji. Traktowane jest to jako swego rodzaju metafora. Jednak niektórzy biorą to dosłowniej; np. fizyk Melvin Vopson z uniwersytetu w Portsmouth w Wielkiej Brytanii chce eksperymentalnie potwierdzić, że porcje informacji mają mierzalną masę. Polegać miałoby to na procesie anihilacji materii i antymaterii, w którym wiązka pozytonów zostałaby wystrzelona w kierunku elektronów. Pozytony i elektrony są cząstkami subatomowymi tej samej masie i wielkości ładunku, choć o przeciwnym znaku. Anihilacja pozytonu z elektronem wytwarza energię równą masom obu cząstek. Powinna, zdaniem Vopsona, również wytworzyć dodatkową porcję energii - dwa niskoenergetyczne fotony w podczerwieni o określonej długości fali (przewiduje się, że będzie to około 50 mikronów), co ma być bezpośrednim skutkiem wymazania zawartości informacji w cząstkach.
Pomysł fizycznego bitu informacji z dobrze zdefiniowaną energią sformułowany został w 1961 roku przez Rolfa Landauera. Kiedy jeden bit informacji zostaje wymazany, bit rozprasza mierzalną ilość energii. Zasada równoważności masa-energia-informacja, którą Vopson zaproponował w swoim artykule "AIP Advances" w 2019 r., zakłada, że cyfrowy bit informacyjny ma "skończoną i policzalną masę, przechowując informację". Ta niewielka ilość masy ma wynosić 3,19×10-38 kilograma w temperaturze pokojowej. Vopson stawia hipotezę, że jeśli wymażemy ten kawałek informacji, stracimy zarazem pewną ilość masy, a tym samym równoważną ilość energii.
International Data Corporation, globalny dostawca informacji o rynku technologii informacyjnych i komunikacji, przewiduje, że do 2025 ilość generowanych na świecie informacji wzrośnie do 175 zettabajtów. Jeden zettabajt to 8 000 000 000 000 000 000 000 000 bitów. Istnieją prognozy, że za 350 lat stworzymy więcej cyfrowych bitów niż wszystkie atomy na Ziemi. Już wcześniej, uważa Vopson, za około 110 lat "moc wymagana do podtrzymania tej cyfrowej produkcji przekroczy całkowite dzisiejsze zużycie energii przez planetę".
Udowodnienie, że informacja ma masę, poprzez eksperymenty fizyczne jest pierwszym krokiem w kierunku znalezienia możliwego rozwiązania problemu eksplozywnego wzrostu informacji. Udowodnienie, że informacja ma masę, być może pomoże wyjaśnić takie tajemnice jak ciemna materia. Wstępne, przybliżone obliczenia Vopsona wskazują, że 10 do potęgi 93 bitów informacji (6) wyjaśniłoby całą "brakującą" ciemną materię we Wszechświecie.
Mirosław Usidus
