2020 год запомнится миру не только лишь как год, побивший все мыслимые и невообразимые температурные рекорды, да и как период людской истории, в процессе которого было подтверждено существование третьего королевства частиц под заглавием «анионы», которые есть в 2-ух измерениях сразу. Совершенно, говоря о физике частиц, нужно отметить, что до недавнешнего времени их было всего две группы либо королевства – бозоны и фермионы. Аспект деления простых частиц на два лагеря – это значение спина, квантового числа, которое охарактеризовывает свой момент импульса частички. Другими словами, если спин раздельно взятой частички определяется целым числом – перед вами бозон, а если полуцелым – фермион. В этом году исследователи нашли 1-ые признаки существования третьего королевства частиц – анионов, поведение которых не похоже на поведение ни бозонов, ни фермионов. Рассказываем что такое анионы и почему их открытие имеет большущее значение для современной физики.
Законы квантовой механики обрисовывают поведение простых частиц.
Что такое «анионы»?
Любая крайняя частичка во Вселенной — от галлактических лучей до кварков – является или фермионом, или бозоном. Эти группы делят строй блоки Вселенной на два разных королевства. В уходящем 2020 году исследователи нашли 1-ые признаки существования третьего королевства частиц – анионов. Любопытно что анионы не ведут себя ни как фермионы, ни как бозоны; заместо этого их поведение находится кое-где в центре.
В статье, размещенной в летнюю пору 2020 года в журнальчике Science, физики нашли 1-ые экспериментальные подтверждения того, что эти частички не вписываются ни в одно из узнаваемых физикам царств. «Ранее у нас были бозоны и фермионы, а сейчас у нас есть это третье королевство простых частиц», – произнес Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института в интервью изданию Quanta Magazine.
Потому что законы квантовой механики, описывающие поведение простых частиц, очень различаются от узнаваемых законов традиционной физики, осознать их достаточно тяжело. Чтоб создать это, исследователи дают представить для себя… набросок петель. Все поэтому, что когда анионы сплетены, один из их вроде бы «обвивается» вокруг другого, изменяя квантовые состояния.
В процессе научного исследования ученые обосновали, что анионы принадлежат к отдельному классу простых частиц.
Еще более интересных статей о законах квантовой механики и крайних открытиях в области физики читайте на нашем канале в Yandex.Дзен. Там часто выходят статьи, которых нету на веб-сайте.
Итак, представьте для себя две неразличимые частички, похожие на электроны. Возьмите одну, а потом обмотайте ее вокруг иной так, чтоб она возвратилась туда, откуда начала собственный путь. На 1-ый взор может показаться что ничего не поменялось. И вправду, на математическом языке квантовой механики две волновые функции, описывающие изначальное и конечное состояния, должны быть или равны, или иметь отклонение в одну единицу. (В квантовой механике вы вычисляете возможность того, что наблюдаете, возведя в квадрат волновую функцию, так что этот коэффициент – 1 – вымывается).
Если волновые функции частички схожи, то перед вами бозоны. А если они отклоняются на 1 коэффициент, то вы смотрите на фермионы. И хотя вывод, приобретенный в процессе новейшего исследования может показаться чисто математическим упражнением, он имеет суровые последствия для современной физики.
Три королевства простых частиц
Исследователи также отмечают, что фермионы – это антисоциальные члены мира частиц, потому что никогда не занимают одно и то же квантовое состояние. Из-за этого электроны, которые относятся к классу фермионов, попадают в разные атомные оболочки вокруг самого атома. Из этого обычного явления возникает большая часть места в атоме – необычное обилие повторяющейся системы и вся химия.
Читайте также: Ученые приблизились к осознанию того, почему существует Вселенная
Бозоны, с иной стороны, являются стадными частичками, владеющими счастливой способностью объединяться и делить одно и то же квантовое состояние. Таковым образом, фотоны, которые относятся к классу бозонов, могут проходить друг через друга, позволяя световым лучам беспрепятственно передвигаться, а не рассеиваться.
Бозон Хиггса – это событие, вытекающие из столкновений меж протонами в Большенном адронном коллайдере CERN. При столкновении в центре частичка распадается на два фотона (пунктирные желтоватые и зеленоватые полосы)
Но что произойдет, если закольцевать одну квантовую частичку вокруг иной? Возвратится ли она в начальное квантовое состояние? Чтоб осознать произойдет это либо нет, нужно углубиться в лаконичный курс топологии – математического исследования форм. Считается, что две формы топологически эквивалентны, если одна быть может преобразована в другую без каких-то доп действий (склеивания либо разделения). Пончик и кофейная кружка, как говорит древняя поговорка, топологически эквивалентны, поэтому что одно быть может плавненько и безпрерывно сформировано в другое.
Разглядим петлю, которую мы сделали, когда вращали одну частичку вокруг иной. В 3-х измерениях эту петлю можно сжать до точки. Топологически это смотрится так, как если б частичка совершенно не двигалась. Но в 2-ух измерениях петля не может сжиматься, она застревает на иной частичке. Это значит, что сжать петлю в процессе не получится. Из-за этого ограничения — найденного лишь в 2-ух измерениях – петля одной частички вокруг иной не эквивалентна пребыванию частички в том же самом месте. Да, голова идет кругом. Вот почему физикам пригодился 3-ий класс частиц – анионы. Их волновые функции не ограничены 2-мя решениями, определяющими фермионы и бозоны и эти частички не являются ни тем ни остальным.
«Топологический аргумент стал первым признаком существования анионов», – считает один из создателей научной работы Гвендаль Фев, физик из Сорбоннского института в Париже. Когда электроны ограничены в движении в 2-ух измерениях, они охлаждаются практически до абсолютного нуля, подвергаясь действию мощного магнитного поля.
Исследователи выстроили в лаборатории небольшой адронный ускоритель чтоб обосновать существование анионов.
Сначала 1980-х годов физики в первый раз употребляли эти условия для наблюдения «дробного квантового эффекта Холла», при котором электроны собираются совместно, чтоб сделать так именуемые квазичастицы, имеющие долю заряда 1-го электрона. В 1984 году в основополагающей двухстраничной работе Фрэнка Вильчека, Даниэля Ароваса и Джона Роберта Шриффера было показано, что эти квазичастицы могут быть хоть какими. Но ученые никогда не следили подобного поведения квазичастиц, а означает не могли обосновать, что анионы не похожи ни на фермионы, ни на бозоны.
Это любопытно: Почему квантовая физика сродни магии?
Вот почему новое исследование революционно – физика в конце концов удалось обосновать, что анионы ведут себя как нечто среднее меж поведением бозонов и фермионов. Любопытно и то, что в 2016 году три физика обрисовали экспериментальную установку, напоминающую крохотный адронный ускоритель в 2-ух измерениях. Фев и его коллеги выстроили нечто схожее чтоб измерить флуктуации токов в коллайдере.
Им удалось показать, что поведение анионов в точности соответствует теоретическим пророчествам. В общем и целом создатели научной работы уповают, что запутанные анионы сумеют сыграть важную роль в разработке квантовых компов. Подробнее о том, что такое квантовый комп и как он работает, читайте в материале моего коллеги Рамиса Ганиева.
Источник: