Σημάδια ενός ξένου, βαθύτερη πλευρά στα δομικά στοιχεία της φύσης

Σύμφωνα με τη σύγχρονη κβαντική θεωρία, τα ενεργειακά πεδία διαπερνούν το σύμπαν και οι αναταραχές ενέργειας σε αυτά τα πεδία, που ονομάζονται «σωματίδια» όταν είναι σημειακά και «κύματα» όταν είναι διάχυτα, χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία της ύλης και των δυνάμεων. Αλλά νέα ευρήματα υποδηλώνουν ότι αυτή η εικόνα κυματοσωματιδίων προσφέρει μόνο μια επιφανειακή άποψη των συστατικών της φύσης.

Εάν κάθε ενεργειακό πεδίο που διαπερνά το χώρο θεωρείται ως η επιφάνεια μιας λίμνης και τα κύματα και τα σωματίδια είναι οι αναταράξεις σε αυτήν την επιφάνεια, τότε τα νέα στοιχεία ενισχύουν το επιχείρημα ότι ένας ζωντανός, κρυμμένος κόσμος βρίσκεται από κάτω.

Για δεκαετίες, η περιγραφή του υποατομικού κόσμου σε επίπεδο επιφάνειας ήταν επαρκής για να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί για τα περισσότερα φυσικά φαινόμενα. Αλλά πρόσφατα, μια παράξενη κατηγορία ύλης που αψηφά την περιγραφή με γνωστές κβαντομηχανικές μεθόδους έχει τραβήξει τους φυσικούς στα βάθη παρακάτω.

«Μεγάλωσα ως φυσικός που απλά ζούσα σε αυτή την πεδινή περιοχή, σε αυτόν τον 2-D χώρο», είπε ο Σουμπίρ Σάτσντεφ, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που μελετά αυτές τις περίεργες μορφές ύλης. Τώρα, υπάρχει μια εντελώς νέα διάσταση προς εξερεύνηση, είπε, και «μπορείτε να σκεφτείτε τα σωματίδια σαν να τελειώνουν σε αυτήν την επιφάνεια».

Από όλες τις περίεργες μορφές ύλης, τα χαλκό - μέταλλα που περιέχουν χαλκό που παρουσιάζουν μια ιδιότητα που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας - μπορεί να είναι τα πιο περίεργα. Σε νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε διαδικτυακά στις 24 Ιουνίου στο Journal of High Energy Physics, φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια-Σάντα Μπάρμπαρα έχουν εξερευνήσει τα βαθύτερα φαινόμενα που ισχυρίζονται ότι συνδέονται με την περίπλοκη συμπεριφορά των χαλκού σε «επιφανειακό επίπεδο». Επικεντρώνοντας τους υπολογισμούς τους σε αυτό το υποκείμενο περιβάλλον, οι ερευνητές έβγαλαν έναν τύπο για την αγωγιμότητα των χαλκού, ο οποίος προηγουμένως ήταν γνωστός μόνο από πειράματα.

«Το εκπληκτικό είναι ότι ξεκινάς με αυτή τη θεωρία και μετά παίρνεις την αγωγιμότητα αυτών των περίεργων υπεραγωγών», είπε ο Σάτσντεφ, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με το έργο.

Τα αποτελέσματα ενισχύουν τις ενδείξεις ότι αυτός ο νέος τρόπος εξέτασης των δομικών στοιχείων της φύσης είναι πραγματικός και ότι είναι «εκπληκτικά κυριολεκτικός», δήλωσε ο Jan Zaanen, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Leiden στην Ολλανδία.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως ένα ασυνήθιστο, έμμεσο είδος απόδειξης για τη θεωρία χορδών - ένα πλαίσιο 40 ετών που συνδυάζει την κβαντική μηχανική και τη βαρύτητα και είναι τόσο μαθηματικά κομψό και βαθιά επεξηγηματικό όσο και αναπόδεικτο.

Με διαφαινόμενες ερωτήσεις σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, τη μυστηριώδη ουσία που θεωρείται ότι αποτελεί το 84 τοις εκατό της μάζας στο σύμπαν και την αναζήτηση μιας «θεωρίας των πάντων» που περιγράφει μαθηματικά όλη τη φύση, οι ερευνητές λένε ότι τα ευρήματα θα μπορούσαν να έχουν σαρωτικές επιπτώσεις .

«Υπάρχει μια ρεαλιστική πιθανότητα να σημειώσουμε τεράστια πρόοδο στη θεμελιώδη φυσική τα επόμενα δύο χρόνια», είπε ο Zaanen. "Κινείται πολύ, πολύ γρήγορα."

Κάτω από την επιφάνεια

Εάν τα κύματα και τα σωματίδια μοιάζουν με τις αναταράξεις στην επιφάνεια μιας λίμνης, η σύνδεση μεταξύ αυτής της αναταραχής και των γεγονότων στο εσωτερικό της λίμνης περιγράφηκε για πρώτη φορά με μια μαθηματική αρχή που ανακαλύφθηκε το 1997. Σε ένα έγγραφο ορόσημο, ο Juan Maldacena, ένας Αργεντινός- Ο Αμερικανός φυσικός τότε στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και τώρα στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, έδειξε ότι τα γεγονότα που λαμβάνουν χώρα σε μια τρισδιάστατη περιοχή του διαστήματος αντιστοιχούν μαθηματικά σε πολύ διαφορετικά γεγονότα που λαμβάνουν χώρα στα δισδιάστατα όρια αυτής της περιοχής. (Τα συμβάντα σε 4-D αντιστοιχούν επίσης σε συμβάντα σε 3-D, και 5-D σε 4-D και ούτω καθεξής.)

Εξετάστε την τρισδιάστατη εσωτερική και τη δισδιάστατη επιφάνεια της μεταφορικής λίμνης. Για να λειτουργήσει η αντιστοιχία, το εσωτερικό πρέπει να περιγραφεί μαθηματικά με τη θεωρία χορδών, στην οποία τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, τα γκραβιτόνια και τα υπόλοιπα δομικά στοιχεία της φύσης είναι αόρατα μικρές, μονοδιάστατες γραμμές ή «χορδές». Η μάζα και άλλες μακροσκοπικές ιδιότητες αντιστοιχούν στις δονήσεις των χορδών και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών ειδών ύλης και δυνάμεων προέρχονται από τον τρόπο με τον οποίο οι χορδές χωρίζονται και συνδέονται. Αυτές οι χορδές ζουν μέσα στη λίμνη.

Τώρα, φανταστείτε ότι η 2-D επιφάνεια της λίμνης περιγράφεται από την κβαντομηχανική. Τα σωματίδια είναι οι πιτσιλιές στην επιφάνεια και τα κύματα είναι ο καταρράκτης των κυματισμών από αυτές τις πιτσιλιές. Στην επιφάνεια αυτής της φανταστικής λίμνης, δεν υπάρχει δύναμη βαρύτητας.

Η ανακάλυψη του Maldacena, γνωστή ως ολογραφική δυαδικότητα, έδειξε ότι τα γεγονότα στην εσωτερική περιοχή, τα οποία περιλαμβάνουν βαρύτητα και περιγράφονται από τη θεωρία χορδών, μεταφράζονται μαθηματικά σε γεγονότα στην επιφάνεια, τα οποία είναι χωρίς βαρύτητα και περιγράφονται από θεωρίες κβαντικών σωματιδίων.

"Για να κατανοήσουμε αυτή τη σχέση, η κρίσιμη πτυχή είναι όταν η θεωρία της βαρύτητας είναι εύκολο να αναλυθεί, τότε τα σωματίδια στο όριο" - ή, στην αναλογία της λίμνης, στην επιφάνεια - "αλληλεπιδρούν πολύ έντονα μεταξύ τους", είπε ο Maldacena. Το αντίστροφο ισχύει επίσης:Όταν τα σωματίδια είναι ήρεμα στην επιφάνεια, όπως είναι στις περισσότερες μορφές ύλης, τότε η κατάσταση στο εσωτερικό της λίμνης είναι εξαιρετικά περίπλοκη.

Αυτή η αντίθεση είναι που κάνει τη δυαδικότητα χρήσιμη.

Η περίεργη κατηγορία υλικών που περιλαμβάνει τα χαλκούρια ανήκει στην πρώτη κατηγορία. πειράματα δείχνουν ότι τα σωματίδια σε αυτά τα υλικά αλληλεπιδρούν τόσο έντονα μεταξύ τους που χάνουν την ατομικότητά τους. Οι φυσικοί λένε ότι τα σωματίδια είναι «ισχυρά συσχετισμένα». Οι κυματιστές κυματισμοί που αντιστοιχούν σε κάθε επικάλυψη επικαλύπτονται τόσο πολύ που πιστεύεται ότι εμφανίζεται ένα είδος φαινομένου σμήνους. Η ισχυρά συσχετισμένη ύλη μπορεί να συμπεριφέρεται με διάφορους και απροσδόκητους τρόπους που είναι δύσκολο ή σε ορισμένες περιπτώσεις αδύνατο να περιγραφούν με γνωστές κβαντομηχανικές μεθόδους, δήλωσε ο Sean Hartnoll, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. «Χρειάζεστε έναν διαφορετικό τρόπο να τα δείτε από το να ξεκινήσετε από περιγραφές μεμονωμένων σωματιδίων», είπε. "Δεν προσπαθείς να εξηγήσεις τον ωκεανό με όρους μεμονωμένων μορίων νερού."

Εάν η ισχυρά συσχετισμένη ύλη θεωρείται ότι "ζωντανό" στη δισδιάστατη επιφάνεια μιας λίμνης, η ολογραφική δυαδικότητα υποδηλώνει ότι οι ακραίες αναταράξεις σε αυτήν την επιφάνεια είναι μαθηματικά ισοδύναμες με τα ακίνητα νερά στο εσωτερικό. Οι φυσικοί μπορούν να βρουν τη συμπεριφορά σε επίπεδο επιφάνειας μελετώντας την παράλληλη, αλλά πολύ πιο απλή, κατάσταση παρακάτω. "Μπορείτε να υπολογίσετε τα πράγματα σε αυτόν τον ήρεμο κόσμο", είπε ο Zaanen.

Στη μαθηματική γλώσσα της ολογραφικής δυαδικότητας, ορισμένη ισχυρά συσχετισμένη ύλη σε 2-D αντιστοιχεί, σε 3-D, σε μια μαύρη τρύπα - ένα απείρως πυκνό αντικείμενο με μια αναπόφευκτη βαρυτική έλξη, η οποία είναι μαθηματικά απλή. «Αυτά τα πολύ περίπλοκα κβαντομηχανικά συλλογικά φαινόμενα αποτυπώνονται όμορφα από τη φυσική της μαύρης τρύπας», δήλωσε ο Χονγκ Λιου, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. «Για ισχυρά συσχετισμένα συστήματα, εάν βάλετε ένα ηλεκτρόνιο στο σύστημα, θα «εξαφανιστεί» αμέσως – δεν μπορείτε πλέον να το παρακολουθείτε». Είναι σαν ένα αντικείμενο που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα.

Ένα υπεραγώγιμο μοντέλο

Όλο και περισσότερο την τελευταία δεκαετία, η μελέτη των ισοδυνάμων της μαύρης τρύπας των ισχυρά συσχετισμένων μορφών ύλης έχει αποφέρει πρωτοποριακά αποτελέσματα, όπως μια νέα εξίσωση για το ιξώδες των ισχυρά αλληλεπιδρώντων ρευστών και μια καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ κουάρκ και γλουονίων, τα οποία είναι σωματίδια που βρίσκονται σε οι πυρήνες των ατόμων.

Τώρα, ο Gary Horowitz, ένας θεωρητικός χορδών στο UC-Santa Barbara, και ο Jorge Santos, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Horowitz, έχουν εφαρμόσει την ολογραφική δυαδικότητα στα cuprates. Έδωσαν έναν τύπο για την αγωγιμότητα των μετάλλων, τα οποία είναι περίπου 2-D, μελετώντας τις σχετικές ιδιότητες αυτού που μπορεί να είναι το αντίστοιχο τους στο 3-D:μια ηλεκτρικά φορτισμένη, με ιδιαίτερο σχήμα μαύρης τρύπας.

Το έργο πήρε αριθμητική δεξιοτεχνία. Στους χαλκούδες, ένα σμήνος ισχυρά συσχετισμένων ηλεκτρονίων κινείται μέσα από ένα σταθερό πλέγμα ατόμων. Επομένως, η μοντελοποίηση των μετάλλων με την ολογραφική δυαδικότητα απαιτούσε την επεξεργασία του ισοδύναμου ενός πλέγματος στη δομή της αντίστοιχης μαύρης τρύπας δίνοντάς της μια κυματοειδή εξωτερική επιφάνεια ή ορίζοντα.

"Όταν πρόκειται να παίξεις μπάλα με μαύρες τρύπες, χρειάζεσαι τον Gary [Horowitz]", είπε ο Zaanen.

Για να καθορίσουν μια φόρμουλα για την αγωγιμότητα των χαλκού, οι Horowitz και Santos έπρεπε να μελετήσουν πώς το φως θα αλληλεπιδρούσε με τον περίπλοκο ορίζοντα της μαύρης τρύπας τους. Οι εξισώσεις ήταν πολύ ακανθώδεις για να λυθούν ακριβώς, έτσι βρήκαν κατά προσέγγιση λύσεις χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή. Στην πρώτη τους εργασία που περιγράφει λεπτομερώς αυτήν την προσέγγιση, που συντάχθηκε από τον καθηγητή φυσικής του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, Ντέιβιντ Τονγκ και δημοσιεύτηκε τον Ιούλιο του 2012 στο Journal of High Energy Physics, έβγαλαν έναν τύπο που ταίριαζε με την αγωγιμότητα των χαλκού σε υψηλές θερμοκρασίες ως απόκριση σε εναλλασσόμενο ρεύμα . Στη νέα εργασία, επέκτειναν τον υπολογισμό μέχρι το εύρος θερμοκρασίας στο οποίο οι χαλκούδες γίνονται υπεραγώγιμοι ή αγώγουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση και βρήκαν πάλι μια στενή αντιστοιχία με πειραματικές μετρήσεις πραγματικών χαλκού.

«Με εκπλήσσει το γεγονός ότι ένα τόσο απλό μοντέλο βαρύτητας είναι σε θέση να αναπαράγει οποιοδήποτε χαρακτηριστικό ενός πραγματικού υλικού», είπε ο Horowitz. "Έτσι αυτό μας ενθαρρύνει να σκεφτούμε καλύτερα."

Η ακρίβεια του μοντέλου των Horowitz και Santos καταρρέει σε ορισμένες σημαντικές περιπτώσεις, όπως για εναλλασσόμενα ρεύματα με εξαιρετικά υψηλές συχνότητες, αλλά ο Sachdev είπε ότι λαμβάνοντας υπόψη πόσο απλό είναι το μοντέλο της κυματοειδούς μαύρης τρύπας, «δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει καλύτερα». Η ενσωμάτωση περισσότερων από τις μικροσκοπικές λεπτομέρειες των χαλκού στη δομή της μαύρης τρύπας πιθανότατα θα εμβαθύνει τη συνάφειά τους, είπε.

Ο Hartnoll, ο οποίος πρόσφατα χρησιμοποίησε την ολογραφική δυαδικότητα για να μοντελοποιήσει τις μεταβάσεις μετάλλου-μονωτή σε ισχυρά συσχετισμένα υλικά, ελπίζει να βασιστεί στα αποτελέσματα λύνοντας ακριβώς τις εξισώσεις των Horowitz και Santos. «Έχουν μια είσοδο και μια έξοδο. θα θέλαμε να το αποσυμπιέσουμε και να κατανοήσουμε τα κρίσιμα βήματα στο μεταξύ», είπε. Κάτι τέτοιο θα αποκάλυπτε πού προέρχεται ο τύπος αγωγιμότητας στο περιβάλλον της μαύρης τρύπας, παρέχοντας περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις αντίστοιχες δυνάμεις που παίζουν μέσα στα χαλάκια.

Μια νέα δυαδικότητα

Η κατανόηση της φυσικής των χαλκού θα μπορούσε να έχει σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Τα περισσότερα μέταλλα αρχίζουν να υπεραγώγουν όταν η θερμοκρασία τους πέσει κοντά στο απόλυτο μηδέν. Όμως, για λόγους που δεν είναι πλήρως κατανοητοί, τα χαλκούλια παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε πολύ πιο προσιτές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα χρήσιμα για συσκευές που κυμαίνονται από ηλεκτρικά καλώδια υψηλής ισχύος έως κινητήρες πρόωσης πλοίων. Τα cuprates είναι εύθραυστα και ακριβά, ωστόσο, και η κατασκευή καλύτερων εκδόσεων τροποποιώντας τις ιδιότητές τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε δραματικές βελτιώσεις σε μια σειρά τεχνολογιών, από μαγνητικά αιωρούμενα οχήματα και άλλες συσκευές έως πιο αποτελεσματικά δίκτυα ισχύος.

Υπάρχει επίσης η δυνατότητα για την προώθηση της θεμελιώδης φυσικής. Εάν η ολογραφική δυαδικότητα παρέχει ολοένα και πιο ακριβείς προβλέψεις σχετικά με τη συμπεριφορά των χαλκού και άλλων ισχυρά συσχετισμένων υλικών, αυτά τα υλικά μπορούν να θεωρηθούν ουσιαστικά ως μαύρες τρύπες σε υψηλότερες διαστάσεις.

«Αν είχαμε ένα μοντέλο που αναπαρήγαγε όλα τα χαρακτηριστικά ενός υλικού, θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια θεωρία του - ένα πολύ ασυνήθιστο είδος θεωρίας, αλλά δεδομένης της δυαδικότητας, είναι ισοδύναμο με οποιαδήποτε θεωρία που θα παρήγαγε στα όρια, με τα συνηθισμένα σωματίδια», είπε ο Χόροβιτς. "Και μπορεί να είναι πολύ πιο απλό."

Η ολογραφική δυαδικότητα απηχεί τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου που οδήγησε στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Στις αρχές του 1900, το φως, το οποίο προηγουμένως θεωρείτο κύμα, φαινόταν περίπλοκο σε ορισμένα πειράματα, εκτός και αν αντιμετωπιζόταν ως σωματίδια, και τα ηλεκτρόνια, που θεωρούνταν σωματίδια, μερικές φορές δεν είχαν νόημα εκτός και αν είχαν συλληφθεί ως κύματα. «Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου ήταν, όταν προτάθηκε για πρώτη φορά, μια μεγάλη έκπληξη γιατί επρόκειτο για δύο φαινομενικά διαφορετικές έννοιες και μάθαμε ότι είναι το ίδιο πράγμα», είπε ο Χόροβιτς. Η ολογραφική δυαδικότητα «είναι πιο περίπλοκη, αλλά έχει το ίδιο χαρακτηριστικό», είπε. "Έχετε δύο πολύ διαφορετικά φαινομενικά αντικείμενα που αποδεικνύονται εντελώς ισοδύναμα."

Αλλά πώς επηρεάζει η ολογραφική δυαδικότητα στην κατανόησή μας για τη φύση; Είναι πραγματικές οι μονοδιάστατες χορδές από την αναλογία της λίμνης; Όχι απαραίτητα, λένε οι φυσικοί. Στην πραγματικότητα, οι χορδές δεν συνυπολογίστηκαν ποτέ στους υπολογισμούς των Horowitz και Santos για τις ιδιότητες της μαύρης τρύπας που χρησιμοποίησαν ως μοντέλο χαλκού. Αλλά τα ευρήματα δίνουν στους φυσικούς την αίσθηση ότι «όλες αυτές οι θεωρίες που πιστεύαμε ότι ήταν διαφορετικές είναι στην πραγματικότητα όλες σχετικές», είπε ο Maldacena. "Δείχνει ότι η θεωρία χορδών δεν είναι αποσυνδεδεμένη από την υπόλοιπη φυσική."

Η θεωρία χορδών μπορεί απλώς να είναι η καλύτερη μαθηματική γλώσσα για την αντιμετώπιση ορισμένων πτυχών της πραγματικότητας, είπαν οι φυσικοί που πήραν συνέντευξη για αυτό το άρθρο.

«Η φυσική ήταν παραδοσιακά αναγωγική. θέλει να πάρει κάτι πολύπλοκο και να ανακαλύψει ποια είναι τα δομικά στοιχεία», εξήγησε ο Χάρτνολ. "Το θέμα είναι ότι δεν υπάρχει ένας μοναδικός τρόπος για να γίνει αυτό:Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να είναι τα δομικά στοιχεία, αλλά σε άλλες, οι συλλογικές διεγέρσεις ηλεκτρονίων παίζουν πιο θεμελιώδη ρόλο από οποιοδήποτε από τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια.

«Προσπαθούμε να βρούμε τα σωστά δομικά στοιχεία για να περιγράψουμε αυτές τις περίεργες φάσεις της ύλης», είπε. "Και μπορεί να είναι χορδές σε μια υψηλότερη διάσταση."

Καθώς οι φυσικοί ερμηνεύουν τι σημαίνει ότι τα σωματίδια σε ένα περίεργο, εύθραυστο μέταλλο αντιστοιχούν μαθηματικά σε χορδές και μια περίεργη μαύρη τρύπα που υπάρχει —τουλάχιστον θεωρητικά— σε υψηλότερη διάσταση, η ολογραφική δυαδικότητα τους επιτρέπει να «σκεφτούν διαφορετικά τα μυστήρια στα εργαστήρια », είπε ο Zaanen. «Και ίσως δεν είναι μόνο να σκεφτόμαστε διαφορετικά. έχει να κάνει με το να βλέπεις τα αληθινά, όμορφα γεγονότα."