Η χαρά της συμπυκνωμένης ύλης
Όλοι φαίνεται να μιλούν για τα προβλήματα με τη φυσική:το βιβλίο του Peter Woit Not Even Wrong , The Trouble With Physics του Lee Smolin , και το Lost in Math της Sabine Hossenfelder πηδήξτε στο μυαλό, και έχουν ξεκινήσει μια ευρύτερη συζήτηση. Αλλά είναι πραγματικά όλη η φυσική σε μπελάδες, ή μόνο μερικά από αυτά; Αν πραγματικά διαβάσετε αυτά τα βιβλία, θα δείτε ότι αφορούν τη λεγόμενη «θεμελιώδη» φυσική. Κάποια άλλα μέρη της φυσικής πάνε μια χαρά, και θέλω να σας πω για ένα. Ονομάζεται «φυσική συμπυκνωμένης ύλης» και είναι η μελέτη στερεών και υγρών. Ζούμε στη χρυσή εποχή της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης.
Αλλά πρώτα, τι είναι η «θεμελιώδης» φυσική; Είναι ένας περίπλοκος όρος. Μπορεί να νομίζετε ότι οποιαδήποτε πραγματικά επαναστατική εξέλιξη στη φυσική μετράει ως θεμελιώδης. Αλλά στην πραγματικότητα οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτόν τον όρο με έναν πιο ακριβή, στενά οριοθετημένο τρόπο. Ένας από τους στόχους της φυσικής είναι να βρει μερικούς νόμους που, τουλάχιστον κατ' αρχήν, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε για να προβλέψουμε οτιδήποτε μπορεί να προβλεφθεί για το φυσικό σύμπαν. Η αναζήτηση αυτών των νόμων είναι θεμελιώδης φυσική.
Τα ψιλά γράμματα είναι καθοριστικά. Πρώτον:«κατ' αρχήν». Κατ' αρχήν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη θεμελιώδη φυσική που γνωρίζουμε για να υπολογίσουμε το σημείο βρασμού του νερού με τεράστια ακρίβεια - αλλά κανείς δεν το έχει κάνει ακόμα, επειδή ο υπολογισμός είναι δύσκολος. Δεύτερον:«όλα όσα μπορούν να προβλεφθούν». Από όσο μπορούμε να πούμε, η κβαντομηχανική λέει ότι υπάρχει εγγενής τυχαιότητα στα πράγματα, γεγονός που καθιστά ορισμένες προβλέψεις αδύνατες , όχι απλώς ανέφικτο, για να πραγματοποιηθεί με βεβαιότητα. Και αυτή η εγγενής κβαντική τυχαιότητα μερικές φορές ενισχύεται με την πάροδο του χρόνου, από ένα φαινόμενο που ονομάζεται χάος. Για αυτόν τον λόγο, ακόμα κι αν γνωρίζαμε τα πάντα για το σύμπαν τώρα, δεν θα μπορούσαμε να προβλέψουμε τον καιρό ακριβώς σε ένα χρόνο από τώρα. Έτσι, ακόμα κι αν η θεμελιώδης φυσική είχε πετύχει τέλεια, θα απείχε πολύ από το να δώσει την απάντηση σε όλες τις ερωτήσεις μας σχετικά με τον φυσικό κόσμο. Ωστόσο, είναι σημαντικό, γιατί μας δίνει το βασικό πλαίσιο μέσα στο οποίο μπορούμε να προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις.
Από τώρα, η έρευνα στη θεμελιώδη φυσική μας έχει δώσει το Καθιερωμένο Μοντέλο (το οποίο επιδιώκει να περιγράψει την ύλη και όλες τις δυνάμεις εκτός από βαρύτητα) και τη Γενική Σχετικότητα (που περιγράφει τη βαρύτητα). Αυτές οι θεωρίες είναι τρομερά επιτυχημένες, αλλά ξέρουμε ότι δεν είναι η τελευταία λέξη. Μεγάλα ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα - όπως η φύση της σκοτεινής ύλης ή οτιδήποτε άλλο μας κοροϊδεύει στο να πιστεύουμε ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη. Δυστυχώς, η πρόοδος σε αυτά τα ζητήματα ήταν πολύ αργή από τη δεκαετία του 1990. Ευτυχώς η θεμελιώδης φυσική δεν είναι όλη της φυσικής, και σήμερα δεν είναι πλέον το πιο συναρπαστικό κομμάτι της φυσικής. Υπάρχουν ακόμα πολλές συναρπαστικές νέες φυσικές που γίνονται. Και πολλά από αυτά —αν και σε καμία περίπτωση όλα— είναι η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης.
Παραδοσιακά, η δουλειά της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης ήταν να προβλέπει τις ιδιότητες των στερεών και των υγρών που βρίσκονται στη φύση. Μερικές φορές αυτό μπορεί να είναι πολύ δύσκολο:για παράδειγμα, ο υπολογισμός του σημείου βρασμού του νερού. Αλλά τώρα γνωρίζουμε αρκετά θεμελιώδη φυσική για να σχεδιάσουμε περίεργα νέα υλικά — και μετά στην πραγματικότητα να φτιάξουμε αυτά τα υλικά, και διερευνήστε τις ιδιότητές τους με πειράματα, δοκιμάζοντας τις θεωρίες μας για το πώς πρέπει να λειτουργούν. Ακόμα καλύτερα, αυτά τα πειράματα μπορούν συχνά να γίνουν σε ένα τραπέζι. Εδώ δεν χρειάζονται τεράστιοι επιταχυντές σωματιδίων.
Ας δούμε ένα παράδειγμα. Θα ξεκινήσουμε με την ταπεινή «τρύπα». Ένας κρύσταλλος είναι μια κανονική διάταξη ατόμων, το καθένα με μερικά ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω του. Όταν ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια χτυπιέται με κάποιο τρόπο, έχουμε μια «τρύπα»:ένα άτομο με ένα ηλεκτρόνιο που λείπει. Και αυτή η τρύπα μπορεί πραγματικά να κινείται γύρω σαν σωματίδιο! Όταν ένα ηλεκτρόνιο από κάποιο γειτονικό άτομο κινείται για να γεμίσει την οπή, η οπή μετακινείται στο γειτονικό άτομο. Φανταστείτε μια σειρά ανθρώπων που φορούν όλοι καπέλα εκτός από έναν που το κεφάλι του είναι γυμνό:Αν ο γείτονάς τους δανείσει το καπέλο τους, το γυμνό κεφάλι μετακινείται στον γείτονα. Εάν αυτό συνεχίσει να συμβαίνει, το γυμνό κεφάλι θα κινηθεί προς τα κάτω στη σειρά των ανθρώπων. Η απουσία ενός πράγματος μπορεί να λειτουργήσει σαν πράγμα!
Ο διάσημος φυσικός Paul Dirac είχε την ιδέα των οπών το 1930. Σωστά προέβλεψε ότι εφόσον τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, οι οπές θα πρέπει να έχουν θετικό φορτίο. Ο Ντιράκ εργαζόταν στη θεμελιώδη φυσική:ήλπιζε ότι το πρωτόνιο θα μπορούσε να εξηγηθεί ως τρύπα. Αυτό αποδείχθηκε ότι δεν ήταν αλήθεια. Αργότερα οι φυσικοί βρήκαν ένα άλλο σωματίδιο που θα μπορούσε:το «ποζιτρόνιο». Είναι ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο με το αντίθετο φορτίο. Και έτσι γεννήθηκε η αντιύλη —το κακό δίδυμο της συνηθισμένης ύλης, με την ίδια μάζα αλλά το αντίθετο φορτίο. (Αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία.)
Το 1931, ο Werner Heisenberg εφάρμοσε την ιδέα των οπών στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Συνειδητοποίησε ότι, όπως τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα καθώς κινούνται, το ίδιο συμβαίνει και με τις τρύπες—αλλά επειδή είναι θετικά φορτισμένα, το ηλεκτρικό τους ρεύμα πηγαίνει προς την άλλη κατεύθυνση! Έγινε σαφές ότι οι τρύπες μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα σε ορισμένα από τα υλικά που ονομάζονται «ημιαγωγοί»:για παράδειγμα, πυρίτιο με λίγο αλουμίνιο που προστίθεται σε αυτό. Μετά από πολλές περαιτέρω εξελίξεις, το 1948 ο φυσικός William Schockley κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τρανζίστορ που χρησιμοποιούν τρύπες και ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν ένα είδος διακόπτη. Αργότερα κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για αυτό και τώρα χρησιμοποιούνται ευρέως σε τσιπ υπολογιστών.
Οι τρύπες στους ημιαγωγούς δεν είναι πραγματικά σωματίδια με την έννοια της θεμελιώδης φυσικής. Είναι απλώς ένας βολικός τρόπος σκέψης για την κίνηση των ηλεκτρονίων. Αλλά κάθε αρκετά βολική αφαίρεση αποκτά μια ζωή από μόνη της. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά των οπών είναι ακριβώς όπως οι εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων. Έτσι, μπορούμε να χειριστούμε τις τρύπες σαν είναι σωματίδια. Έχουμε ήδη δει ότι μια τρύπα είναι θετικά φορτισμένη. Αλλά επειδή χρειάζεται ενέργεια για να κινηθεί μια τρύπα, μια τρύπα λειτουργεί επίσης σαν να έχει μάζα. Και ούτω καθεξής:Οι ιδιότητες που συνήθως αποδίδουμε στα σωματίδια έχουν νόημα και για τις τρύπες.
Οι φυσικοί έχουν ένα όνομα για πράγματα που δρουν σαν σωματίδια, παρόλο που δεν είναι:«οιονεί σωματίδια». Υπάρχουν πολλά είδη. Οι τρύπες είναι μόνο μία από τις απλούστερες. Η ομορφιά των οιονεί σωματιδίων είναι ότι μπορούμε πρακτικά να τα φτιάξουμε κατά παραγγελία, έχοντας μια τεράστια ποικιλία ιδιοτήτων. Όπως το έθεσε ο κβαντικός φυσικός Μάικλ Νίλσεν, τώρα ζούμε στην εποχή της «ύλης του σχεδιαστή».
Για παράδειγμα, σκεφτείτε το "exciton". Δεδομένου ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι αρνητικά φορτισμένο και μια τρύπα είναι θετικά φορτισμένη, ελκύουν το ένα το άλλο. Και αν η οπή είναι πολύ βαρύτερη από το ηλεκτρόνιο - θυμηθείτε, μια τρύπα έχει μάζα - ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να περιστρέφεται γύρω από μια τρύπα όπως ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από ένα πρωτόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου. Έτσι, σχηματίζουν ένα είδος τεχνητού ατόμου που ονομάζεται εξιτόνιο. Είναι ένας απόκοσμος χορός παρουσίας και απουσίας!
Η ιδέα των εξιτονίων χρονολογείται από το 1931. Μέχρι τώρα μπορούμε να κάνουμε εξιτόνια σε μεγάλες ποσότητες σε ορισμένους ημιαγωγούς και άλλα υλικά. Δεν διαρκούν πολύ:Το ηλεκτρόνιο πέφτει γρήγορα πίσω στην τρύπα. Συχνά χρειάζεται λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου για να συμβεί αυτό. Αλλά αυτός είναι αρκετός χρόνος για να κάνετε μερικά ενδιαφέροντα πράγματα. Ακριβώς όπως δύο άτομα υδρογόνου μπορούν να κολλήσουν μεταξύ τους και να σχηματίσουν ένα μόριο, δύο εξιτόνια μπορούν να κολλήσουν μεταξύ τους και να σχηματίσουν ένα «διεξιτόνιο». Ένα εξιτόνιο μπορεί να κολλήσει σε μια άλλη τρύπα και να σχηματίσει ένα «τρίον». Ένα εξιτόνιο μπορεί ακόμη και να κολλήσει σε ένα φωτόνιο —ένα σωματίδιο φωτός— και σχηματίζουν κάτι που ονομάζεται «πολαρίτης». Είναι ένα μείγμα ύλης και φωτός!
Μπορείτε να φτιάξετε ένα αέριο από τεχνητά άτομα; Ναί! Σε χαμηλές πυκνότητες και υψηλές θερμοκρασίες, τα εξιτόνια κουμπώνουν σαν άτομα σε αέριο. Μπορείτε να φτιάξετε ένα υγρό; Και πάλι, ναι:Σε υψηλότερες πυκνότητες και πιο κρύες θερμοκρασίες, τα εξιτόνια προσκρούουν το ένα στο άλλο τόσο ώστε να λειτουργούν σαν υγρό. Σε ακόμη πιο χαμηλές θερμοκρασίες, τα εξιτόνια μπορούν ακόμη και να σχηματίσουν ένα «υπερρευστό», με σχεδόν μηδενικό ιξώδες:αν μπορούσατε με κάποιο τρόπο να το κάνετε να στροβιλίζεται, θα συνεχιζόταν σχεδόν για πάντα.
Αυτή είναι μόνο μια μικρή γεύση του τι κάνουν οι ερευνητές στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης αυτές τις μέρες. Εκτός από τα εξιτόνια, μελετούν μια σειρά από άλλα οιονεί σωματίδια. Ένα "φωνόνι" είναι ένα οιονεί σωματίδιο ήχου που σχηματίζεται από δονήσεις που κινούνται μέσα από έναν κρύσταλλο. Το "magnon" είναι ένα οιονεί σωματίδιο μαγνήτισης:ένας παλμός ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο του οποίου τα σπιν έχουν αναστραφεί. Η λίστα συνεχίζεται και γίνεται όλο και πιο εσωτερική.
Αλλά υπάρχουν επίσης πολλά περισσότερα στο πεδίο από τα οιονεί σωματίδια. Οι φυσικοί μπορούν τώρα να δημιουργήσουν υλικά στα οποία η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ πιο αργή από το συνηθισμένο, ας πούμε 40 μίλια την ώρα. Μπορούν ακόμη και να δημιουργήσουν υλικά στα οποία το φως κινείται σαν να υπάρχουν δύο διαστάσεις του χώρου και δύο διαστάσεις του χρόνου, αντί για τις συνηθισμένες τρεις διαστάσεις του χώρου και μία του χρόνου! Κανονικά πιστεύουμε ότι ο χρόνος μπορεί να πάει μπροστά προς μία μόνο κατεύθυνση, αλλά σε αυτές τις ουσίες το φως έχει μια επιλογή μεταξύ πολλών διαφορετικών κατευθύνσεων και μπορεί να πάει «προς τα εμπρός στο χρόνο». Από την άλλη, η κίνησή του στο διάστημα περιορίζεται σε ένα αεροπλάνο.
Εν ολίγοις, οι δυνατότητες της συμπυκνωμένης ύλης περιορίζονται μόνο από τη φαντασία μας και τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής.
Σε αυτό το σημείο, συνήθως έρχεται κάποιος σκεπτικιστής και αναρωτιέται εάν αυτά τα πράγματα είναι χρήσιμα. Πράγματι, ορισμένα από αυτά τα νέα υλικά είναι πιθανό να είναι χρήσιμα . Στην πραγματικότητα, πολλή φυσική συμπυκνωμένης ύλης, αν και λιγότερο γοητευτική από ό,τι μόλις περιέγραψα, πραγματοποιείται ακριβώς για την ανάπτυξη νέων βελτιωμένων τσιπ υπολογιστών—και επίσης τεχνολογίες όπως η «φωτονική», η οποία χρησιμοποιεί φως αντί για ηλεκτρόνια. Οι καρποί της φωτονικής είναι πανταχού παρόντες—διαποτίζει τη σύγχρονη τεχνολογία, όπως οι τηλεοράσεις επίπεδης οθόνης—αλλά οι φυσικοί τώρα στοχεύουν σε πιο ριζικές εφαρμογές, όπως υπολογιστές που επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας φως.
Στη συνέχεια, συνήθως έρχεται κάποιος άλλος σκεπτικιστής και ρωτά εάν η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι «απλώς μηχανική». Φυσικά η ίδια η υπόθεση αυτής της ερώτησης είναι προσβλητική:Δεν υπάρχει τίποτα κακό με τη μηχανική! Η προσπάθεια δημιουργίας χρήσιμων πραγμάτων δεν είναι μόνο σημαντική από μόνη της, είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να εγείρετε βαθιά νέα ερωτήματα σχετικά με τη φυσική. Για παράδειγμα, ολόκληρο το πεδίο της θερμοδυναμικής, και η ιδέα της εντροπίας, προέκυψαν εν μέρει από την προσπάθεια κατασκευής καλύτερων ατμομηχανών. Αλλά η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης δεν είναι μόνο μηχανική. Μεγάλα μέρη του είναι έρευνα του γαλάζιου ουρανού στις δυνατότητες της ύλης, όπως έχω μιλήσει εδώ.
Αυτές τις μέρες, το πεδίο της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης είναι εξίσου γεμάτο με ανταποδοτικές νέες ιδέες με τη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων ή των μαύρων οπών. Και σε αντίθεση με τη θεμελιώδη φυσική, η πρόοδος στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι ταχεία—εν μέρει επειδή τα πειράματα είναι συγκριτικά φθηνά και εύκολα και εν μέρει επειδή υπάρχουν περισσότερα νέα εδάφη προς εξερεύνηση.
Έτσι, όταν βλέπετε κάποιον να θρηνεί για τα δεινά της θεμελιώδης φυσικής, πάρτε τον στα σοβαρά - αλλά μην το αφήσετε να σας απογοητεύσει. Απλώς βρείτε ένα καλό άρθρο για τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και διαβάστε το. Θα χαρείτε αμέσως.
Ο John Baez είναι καθηγητής μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Riverside και επισκέπτης ερευνητής στο Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών στη Σιγκαπούρη. Δημοσιεύει blog για μαθηματικά, φυσικές επιστήμες και περιβαλλοντικά θέματα στο Azimuth.
Επικεφαλής εικόνα:Stef Simmons, UCL Mathematical and Physical Sciences / Flickr
Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο διαδίκτυο στο τεύχος "Wonder" τον Φεβρουάριο του 2021.
