Οι φυσικοί αποδεικνύουν τον εκπληκτικό κανόνα των τριών

Περισσότερα από 40 χρόνια αφότου ένας Σοβιετικός πυρηνικός φυσικός πρότεινε μια περίεργη θεωρία ότι τα τρία σωματίδια μπορούν να τακτοποιηθούν σε μια άπειρη διάταξη φωλιάσματος-κούκλας, οι πειραματιστές ανέφεραν ισχυρές ενδείξεις ότι αυτή η παράξενη κατάσταση της ύλης είναι πραγματική.

Το 1970, ο Vitaly Efimov χειριζόταν τις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής σε μια προσπάθεια να υπολογίσει τη συμπεριφορά συνόλων τριών σωματιδίων, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια που κατοικούν τους ατομικούς πυρήνες, όταν ανακάλυψε έναν νόμο που αφορούσε όχι μόνο τα πυρηνικά συστατικά αλλά και , υπό τις κατάλληλες συνθήκες, σε οποιοδήποτε τρίο σωματιδίων στη φύση.

Ενώ οι περισσότερες δυνάμεις δρουν μεταξύ ζευγαριών, όπως ο βόρειος και ο νότιος πόλος ενός μαγνήτη ή ενός πλανήτη και του ήλιου του, ο Efimov εντόπισε ένα φαινόμενο που απαιτεί τρία συστατικά για να ξεκινήσει η δράση. Μαζί, τα συστατικά σχηματίζουν μια κατάσταση ύλης παρόμοια με τους δακτυλίους Borromean, ένα αρχαίο σύμβολο τριών διασυνδεδεμένων κύκλων στους οποίους δεν υπάρχουν δύο άμεσα συνδεδεμένοι. Το λεγόμενο «τριμερές» του Efimov θα μπορούσε να αποτελείται από ένα τρίο πρωτονίων, ένα τριατομικό μόριο ή οποιοδήποτε άλλο σύνολο τριών σωματιδίων, αρκεί οι ιδιότητές τους να είναι συντονισμένες στις σωστές τιμές. Και σε μια εκπληκτική άνθηση, αυτή η υποθετική κατάσταση της ύλης επέδειξε ένα πρωτόγνωρο χαρακτηριστικό:την ικανότητα να κυμαίνεται σε μέγεθος από σχεδόν απειροελάχιστο έως άπειρο.

«Είναι μια πολύ τρελή ιδέα», είπε ο Ράντι Χούλετ, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ράις στο Χιούστον. "Παίρνετε αυτή την άπειρη σειρά μορίων."

Ο Efimov είχε δείξει ότι όταν τρία σωματίδια ενώνονται, μια ειδική συρροή των δυνάμεών τους δημιουργεί το φαινόμενο Borromean rings:Αν και ένα δεν είναι αρκετό, τα αποτελέσματα δύο σωματιδίων μπορούν να συνωμοτήσουν για να δεσμεύσουν ένα τρίτο. Το χαρακτηριστικό κούκλας φωλιάς - που ονομάζεται αναλλοίωτη διακριτή κλίμακα - προέκυψε από μια συμμετρία στην εξίσωση που περιγράφει τις δυνάμεις μεταξύ τριών σωματιδίων. Εάν τα σωματίδια ικανοποιούσαν την εξίσωση όταν απέχουν μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους, τότε τα ίδια σωματίδια που απέχουν 22,7 φορές πιο μακριά μεταξύ τους ήταν επίσης μια λύση. Αυτός ο αριθμός, που ονομάζεται «συντελεστής κλίμακας», προέκυψε από τα μαθηματικά τόσο ανεξήγητα όσο το pi, η αναλογία μεταξύ της περιφέρειας και της διαμέτρου ενός κύκλου.

«Είναι σαν στρώματα κρεμμυδιού», είπε ο Hulet. «Βλέπετε μόρια σε ένα στρώμα. Ξεφλουδίστε το στρώμα και βλέπετε ότι υπάρχει ένα μόριο 22,7 φορές μικρότερο. Κάθε φορά που αφαιρείτε ένα στρώμα, βρίσκετε ένα άλλο μόριο.»

Ο Efimov δημοσίευσε τη θεωρία του σε ένα σοβιετικό περιοδικό καθώς και στη δυτική δημοσίευση Physics Letters B. Στην αρχή, σχεδόν κανείς δεν το πίστευε.

«Στη Δύση, αυτές οι ιδέες έγιναν δεκτές με μεγάλο σκεπτικισμό», είπε ο Έρικ Μπράατεν, θεωρητικός φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο που ήταν στο γυμνάσιο όταν εμφανίστηκε η εργασία του Εφίμοφ.

Οι θεωρητικοί μπήκαν στις εξισώσεις αναζητώντας ένα λάθος. Αντίθετα, όμως, είπε ο Braaten, «έπεισαν ότι ήταν αλήθεια».

Αλλά ακόμη και με αεροστεγή λογική, η θεωρία δεν έπρεπε απαραίτητα να εκδηλωθεί στη φύση. «Νόμιζα ότι ήταν πολύ παράξενο για να έχω βάση στην πραγματικότητα», είπε ο Chris Greene, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Purdue που μελετά τα κβαντικά συστήματα «λίγων σωμάτων», τα οποία αποτελούνται από λίγα μόνο σωματίδια.

Και για δεκαετίες, κανείς δεν ήξερε αν η θεωρία περιέγραφε την πραγματική ύλη. Καθώς οι ερευνητές σκέφτονταν πού να ψάξουν για τα τρίμερα Efimov, ο ίδιος ο Efimov μετανάστευσε δυτικά και έγινε καθηγητής διδασκαλίας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, όπου απέκτησε μεγαλύτερη φήμη για το πυροβόλο όπλο στην τάξη κατά τη διάρκεια ενός μαθήματος για τις ανελαστικές συγκρούσεις παρά για την περίεργη θεωρία του. /P>

Επειδή η κατάσταση Efimov είναι ασθενώς δεσμευμένη και συνήθως κυριαρχείται από άλλες δυνάμεις, η παρατήρησή της απαιτεί ακριβή συντονισμό. Τα σωματίδια πρέπει να έχουν την περίεργη κβαντική ιδιότητα να μπορούν να συγκρούονται όταν απέχουν πολύ μεταξύ τους, πέρα ​​από το εύρος της δύναμης μεταξύ τους - μια κατάσταση ανάλογη με τη Γη που εκτινάσσεται από ένα μακρινό αστέρι του οποίου τη βαρύτητα δεν αισθάνεται. Και τα σωματίδια πρέπει να έχουν πολύ λίγη ενέργεια για να ξεφύγουν από το σχηματισμό.

Μερικοί φυσικοί υποψιάστηκαν ότι ένας τυχαίος συντονισμός στη φύση θα μπορούσε να προκαλέσει την εμφάνιση της κατάστασης Efimov με το πρόσχημα του ατόμου ηλίου-4 και σε ένα ισότοπο άνθρακα που ονομάζεται κατάσταση Hoyle που σχηματίζεται στα αστέρια και γεννά πολλά άλλα στοιχεία. Αλλά αυτοί οι πυρήνες ήταν πολύ περίπλοκοι για ελεγχόμενες μελέτες.

Το 1999, ο Greene συνειδητοποίησε ότι οι ιδιότητες που είναι απαραίτητες για την κατάσταση Efimov μπορούσαν να συντονιστούν με το χέρι σε πρόσφατα αναπτυγμένες υπερψυχρές οπτικές παγίδες. Τα άτομα μέσα σε αυτές τις συσκευές θα μπορούσαν να ψυχθούν με λέιζερ σε ένα κλάσμα ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, περιορίζοντας την ικανότητά τους να κινούνται και θα μπορούσε να εφαρμοστεί ένα μαγνητικό πεδίο για να τα κάνει να συγκρούονται σε μεγάλες αποστάσεις.

Ο Ρούντι Γκριμ και η ομάδα του στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα τριμερές Efimov για πρώτη φορά το 2006, κατασκευάζοντάς το από ένα τρίο ατόμων καισίου ψυχθέντα σε 10 δισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ήταν ένας πολυαναμενόμενος θρίαμβος για τον Εφίμοφ, ο οποίος, θυμάται ο Γκριμ, έγινε πολύ συγκινημένος όταν άκουσε τα νέα.

Αλλά το αποτέλεσμα δεν απέδειξε αποφασιστικά τη θεωρία.

«Με ένα μόνο παράδειγμα, είναι πολύ δύσκολο να πούμε αν πρόκειται για μια ρωσική κούκλα που φωλιάζει», είπε ο Cheng Chin, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που ήταν μέλος της ομάδας του Grimm το 2006. Η τελική απόδειξη θα ήταν μια παρατήρηση διαδοχικών Τρίμερ Efimov, το καθένα μεγεθυσμένο κατά συντελεστή 22,7. "Αυτό ξεκίνησε μια νέα κούρσα" για να αποδείξει τη θεωρία, είπε ο Chin.

Οκτώ χρόνια αργότερα, ο διαγωνισμός για την παρατήρηση μιας σειράς πολιτειών του Εφίμοφ ολοκληρώθηκε με φωτογραφικό φινίρισμα. «Αυτό που βλέπετε είναι τρεις ομάδες, σε τρεις διαφορετικές χώρες, να αναφέρουν αυτές τις πολλαπλές καταστάσεις του Εφίμοφ μέσα σε ένα μήνα», είπε ο Τσιν, ο οποίος ηγήθηκε μιας από τις ομάδες. "Είναι εντελώς εκπληκτικό."

Η ομάδα του Grimm παρατήρησε ένα δεύτερο τριμερές Efimov κατασκευασμένο από άτομα καισίου, αναφέροντας τα αποτελέσματα στις 12 Μαΐου στο Physical Review Letters. Το τριμερές του 2006 εκτεινόταν σε πλάτος 1.000 ατόμων υδρογόνου, απαιτώντας από το νέο να μετρήσει ένα πλήρες μικρόμετρο — «ένα γιγάντιο μόριο», είπε ο Grimm.

Κάθε 22,7 φορές μεγαλύτερη κατάσταση Efimov είναι επίσης 22,7 τετραγωνικές φορές πιο αδύναμη, απαιτώντας την περαιτέρω ψύξη της οπτικής παγίδας για να μπορέσει να σχηματιστεί η νέα κατάσταση. Η ομάδα του Grimm τελειοποίησε τις τεχνικές της και εντόπισε την κατάσταση στο άκρο των πειραματικών ορίων.

Εν τω μεταξύ, οι δύο άλλες ομάδες κατάφεραν να παρατηρήσουν τρεις διαδοχικές καταστάσεις Efimov εκμεταλλευόμενοι μια υποσημείωση στη θεωρία:Όταν ένα τριμερές κατασκευάζεται από ένα μείγμα διαφορετικών σωματιδίων και όχι από ένα πανομοιότυπο σύνολο, ο συντελεστής κλιμάκωσης 22,7 μειώνεται ανάλογα με τα σωματίδια σχετικές μάζες. Με άλλα λόγια, οι κούκλες που φωλιάζουν από ατομικά μείγματα γίνονται πιο κοντά σε μέγεθος, επιτρέποντας την παρατήρηση περισσότερων από αυτές μέσα στο πειραματικό παράθυρο.

Τόσο η ομάδα του Chin όσο και μια ομάδα με επικεφαλής τον Matthias Weidemüller στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης παρατήρησαν τριμερή Efimov τριών διαφορετικών μεγεθών, το καθένα κατασκευασμένο από δύο άτομα καισίου και ένα πολύ ελαφρύτερο άτομο λιθίου. Η ομάδα του Chin δημοσίευσε την εργασία της στο διαδίκτυο τον Φεβρουάριο και οι επιστήμονες της Χαϊδελβέργης ακολούθησαν τη δική τους τον Μάρτιο. Και οι δύο εργασίες, οι οποίες βρίσκονται ακόμη υπό αξιολόγηση από ομοτίμους, ανέφεραν έναν συντελεστή κλιμάκωσης ακριβώς γύρω στο 4,9 για τα σχετικά μεγέθη των τριμερών τους — ακριβώς την προσαρμογή στο 22,7 που προβλέπεται από τη θεωρία.

«Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι με αυτό το αποτέλεσμα», είπε ο Chin. "Στον περίπλοκο μοριακό κόσμο, υπάρχει ένας νέος νόμος."

Ο νόμος είναι μια γεωμετρική πρόοδος ολοένα και τεράστιων τριών σωματιδίων, που εκτείνονται σε μια θεωρητικά άπειρη ακολουθία από την κβαντική κλίμακα έως (αν τα σωματίδια ήταν αρκετά ψυχρά) το μέγεθος του σύμπαντος και πέρα. "Αν και δεν είδαμε άπειρο αριθμό από αυτά, υπάρχουν αρκετά ισχυρά στοιχεία όταν βλέπετε τρία στη σειρά", είπε ο Chin.

Για κάποιους, τα αποτελέσματα σηματοδοτούν το τέλος μιας εποχής, καθώς και ένα σημείο εκκίνησης.

«Για το κλασικό σενάριο του Efimov, η ιστορία έχει πλέον ουσιαστικά ολοκληρωθεί», είπε ο Grimm. Αλλά ως παράδειγμα για την εξέταση φαινομένων λίγων σωμάτων σε ψυχρά άτομα, είπε, «είναι σαν την κορυφή του παγόβουνου».

Η κατάσταση Efimov είναι το πιο στοιχειώδες αποτέλεσμα στη φυσική λίγων σωμάτων, είπαν οι ερευνητές, αλλά υπάρχουν αμέτρητα άλλα που φαίνεται να επηρεάζουν τις διατάξεις μικρών αριθμών ατόμων:αλληλεπιδράσεις τεσσάρων, πέντε και έξι σωμάτων κ.λπ. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να είναι δυνατό να αυξηθούν ορισμένα από αυτά τα αποτελέσματα σε υπερψυχρές οπτικές παγίδες για να παραχθούν νέες ιδιότητες όγκου ύλης, όπως εξωτικές μορφές υπεραγωγιμότητας. Μια βελτιωμένη κατανόηση της φυσικής λίγων σωμάτων θα τροφοδοτούσε επίσης μοντέλα πιο περίπλοκων συστημάτων που περιλαμβάνουν πολλά περισσότερα σωματίδια.

Αλλά οι άμεσες πρακτικές εφαρμογές του κράτους Efimov είναι περιορισμένες. Για τους ερευνητές που έχουν μελετήσει την περίεργη αλλά κομψή ιδέα για δεκαετίες, ο κύριος μοχλός της νέας έρευνας και η κύρια απόλαυσή της είναι να έχουν μια τελική απόδειξη.

«Είναι ικανοποιητικό να βλέπεις πραγματικά αυτόν τον μαγικό αριθμό, το 22,7, να βγαίνει», είπε ο Braaten, ο οποίος δεν συμμετείχε στις νέες μελέτες. "Υπήρχαν έμμεσες ενδείξεις ότι όλα αυτά λειτούργησαν, αλλά στην πραγματικότητα βλέποντας αυτόν τον διακριτό παράγοντα κλιμάκωσης ρητά στο πείραμα - είναι ανακουφιστικό."