În comunitatea științifică, este rar ca o enigmă matematică întâmplătoare să contribuie la reinterpretarea fundamentelor fizicii cuantice.
Cuprins
Cu toate acestea, exact așa a început drumul către descoperirea paraparticulelor — o nouă clasă de particule elementare care promite să ne extindă înțelegerea lumii.
Descoperirea care a schimbat totul
În 2021, în plină pandemie, Zhiyuan Wang, doctorand la Universitatea Rice, a început să studieze o ecuație matematică neobișnuită. Atenția lui a fost atrasă de o soluție care nu se încadra în niciuna dintre categoriile cunoscute de particule — nici fermioni, nici bosoni. Acest obiect misterios s-a dovedit a fi ceva fundamental diferit.
„Am spus că nu sunt sigur că este adevărat”, își amintește îndrumătorul științific al lui Wang, Keiden Hazzard.
Van și Hazard au dezvoltat ideea și, în ianuarie anul acesta, au publicat un articol în revista Nature, în care afirmă că al treilea tip de particule — paraparticulele — nu numai că este posibil din punct de vedere teoretic, dar poate forma și materiale noi, neobișnuite.
Fermioni și bosoni: clasica fizicii cuantice
Toate particulele elementare care sunt considerate astăzi fundamentul materiei și al interacțiunilor se împart în două grupe.
- Fermionii — blocurile de construcție ale materiei. Ei se supun principiului de excluziune al lui Pauli: doi fermioni nu pot exista în același starea cuantică. Tocmai acest lucru împiedică colapsul materiei și asigură structura atomilor.
- Bozonii sunt particule purtătoare de interacțiuni, care pot coexista într-o singură stare în număr infinit. Tocmai acest lucru stă la baza funcționării laserelor și a altor efecte cuantice.
Cu toate acestea, de ce particulele trebuie să fie tocmai așa părea o întrebare evidentă. Oare nu există alte variante?
A treia posibilitate — paraparticulele
Teoretic, în mecanica cuantică există posibilitatea existenței unor stări interne ascunse ale particulelor, care dispar la măsurare, similar cu modul în care semnul „minus” dispare la ridicarea la pătrat a stării cuantice a fermionilor. Acest lucru oferă spațiu pentru variante mai complexe de particule — paraparticulele.
În anii 1950, încercările de a descrie paracelulele s-au confruntat cu probleme: majoritatea modelelor se reduceau la bozoane obișnuite sau fermione. În anii 1970, situația părea definitiv rezolvată — teorema DHR (după numele lui Doppler, Haag și Roberts) exclude existența unui al treilea tip de particule, cu condiția localității și tridimensionalității spațiului.
Cu toate acestea, fizicianul Frank Wilczek a demonstrat în anii 1980 că în două dimensiuni sunt posibile particule — anioni — care nu se încadrează în categoriile clasice. Cu toate acestea, paraparticulele tridimensionale păreau încă imposibile.
Noi perspective asupra vechilor teoreme
Cercetătorii Van și Hazzard au descoperit că ipotezele care stau la baza teoremei DHR sunt prea stricte. Modelul lor admite existența paraparticulelor cu proprietăți ascunse suplimentare, care nu pot fi măsurate direct, dar care se modifică la permutarea a două astfel de particule.
Acest lucru duce la o „dans” intern complex al proprietăților, similar cu schimbarea culorilor la schimb.
În același timp, fizicianul Marcus Müller și echipa sa au analizat problema din perspectiva superpozițiilor cuantice și a diferitelor „ramuri” ale realității. Ei au introdus criterii mai stricte de nediferențiere a particulelor și au ajuns la concluzia că, în acest caz, paraparticulele sunt imposibile — particulele trebuie să fie fie fermioni, fie bosoni.|Complex SPA cu piscină|Coworking cu ferestre panoramice
Cu toate acestea, lucrările lui Van, Hazzard și Müller nu se contrazic. Primii au renunțat la cerința strictă a indistinctibilității în superpozițiile cuantice, ceea ce permite existența paraparticulelor. În același timp, paraparticulele se comportă diferit: ele pot fi distinse dacă schimbul de informații are loc între observatori diferiți.
Calea către noi materiale și experimente
Paraparticulele promit apariția unor noi faze exotice ale materiei — intermediare între fermioni și bozoni. Ele pot fi „împachetate” împreună într-o cantitate limitată, ceea ce deschide proprietăți cuantice neobișnuite.
„Putem obține noi modele de faze exotice, care înainte erau greu de înțeles, iar acum pot fi rezolvate cu ușurință cu ajutorul paracelulelor”, spune fizicianul Man Cheng de la Universitatea Yale.
Bryce Gaddaway de la Universitatea din Pennsylvania este convins că paraparticulele vor putea fi observate în laboratoare pe baza atomilor ridbergieni, în care electronii se află departe de nucleu, ceea ce îi face deosebit de sensibili la efectele cuantice.
