شعار زيفيرنت

المادة "الأكثر غرابة" ، المكونة من جزيئات ، تتحدى الوصف

التاريخ:

يتكون مكتبك من ذرات منفردة ومتميزة ، ولكن سطحه يبدو أملسًا من بعيد. هذه الفكرة البسيطة هي جوهر كل نماذجنا للعالم المادي. يمكننا وصف ما يحدث بشكل عام دون التورط في التفاعلات المعقدة بين كل ذرة وإلكترون.

لذلك عندما تم اكتشاف حالة نظرية جديدة للمادة التي تستمر سماتها المجهرية بعناد على جميع المستويات ، رفض العديد من الفيزيائيين الإيمان بوجودها.

"عندما سمعت لأول مرة عن الكسور ، قلت إنه لا توجد طريقة يمكن أن يكون هذا صحيحًا ، لأنه يتحدى تمامًا تحيزي حول كيفية تصرف الأنظمة ،" ناثان سايبرغ، عالم فيزياء نظرية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي. "ولكنني كنت مخطئا. أدركت أنني كنت أعيش في حالة إنكار ".

الاحتمال النظري للكسور فاجأ علماء الفيزياء في عام 2011. في الآونة الأخيرة ، قادت هذه الحالات الغريبة للمادة الفيزيائيين نحو أطر نظرية جديدة يمكن أن تساعدهم في معالجة بعض من أصعب المشاكل في الفيزياء الأساسية.

الكسور هي أشباه جسيمات - كيانات شبيهة بالجسيمات تنشأ من تفاعلات معقدة بين العديد من الجسيمات الأولية داخل المادة. لكن الكسور غريبة حتى بالمقارنة مع أشباه جسيمات غريبة أخرى، لأنهم غير قادرين على الحركة تمامًا أو لا يستطيعون التحرك إلا بطريقة محدودة. لا يوجد شيء في بيئتهم يمنع الكسور من الحركة ؛ بل هي خاصية ملازمة لهم. وهذا يعني أن التركيب المجهري للكسور يؤثر على سلوكهم على مسافات طويلة.

"هذا أمر صادم تمامًا. بالنسبة لي ، إنها أغرب مرحلة في المادة شيه تشن، عالم نظرية المادة المكثفة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

الجسيمات الجزئية

في 2011، جيونجوان هاه، الذي كان وقتها طالب دراسات عليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، كان يبحث عن مراحل غير عادية من المادة التي كانت مستقرة للغاية يمكن استخدامها لتأمين الذاكرة الكمية، حتى في درجة حرارة الغرفة. باستخدام خوارزمية الكمبيوتر ، توصل إلى مرحلة نظرية جديدة أطلق عليها رمز Haah. سرعان ما لفتت هذه المرحلة انتباه علماء الفيزياء الآخرين بسبب أشباه الجسيمات غير المنقولة التي تتكون منها.

بدت ، بشكل فردي ، وكأنها مجرد كسور من الجسيمات ، قادرة فقط على التحرك معًا. وسرعان ما تم العثور على المزيد من الأطوار النظرية ذات الخصائص المتشابهة ، وهكذا في عام 2015 هاه - سويًا ساجار فيجاي و ليانغ فو - صاغ مصطلح "الكسور" لأشباه الجسيمات الجزئية الغريبة. (في وقت سابق ولكن تم التغاضي عنه ورقة لكلاوديو شامون يُنسب الآن إلى الاكتشاف الأصلي لسلوك الكسر.)

لمعرفة ما هو استثنائي للغاية حول أطوار الكسر ، فكر في جسيم نموذجي ، مثل الإلكترون ، يتحرك بحرية عبر مادة ما. الطريقة الغريبة ولكن المعتادة التي يفهم بها بعض الفيزيائيين هذه الحركة هي أن الإلكترون يتحرك لأن الفضاء مليء بأزواج الإلكترون والبوزيترون التي ظهرت بشكل مؤقت داخل وخارج الوجود. يظهر أحد هذه الأزواج بحيث يكون البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون ذو الشحنة المعاكسة) أعلى الإلكترون الأصلي ، ويقضي عليه. هذا يترك وراءه الإلكترون من الزوج ، مزاحًا من الإلكترون الأصلي. نظرًا لعدم وجود طريقة للتمييز بين الإلكترونين ، فكل ما ندركه هو حركة إلكترون واحد.

الآن تخيل بدلاً من ذلك أن أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة لا يمكن أن تنشأ من الفراغ ولكن فقط مربعات منها. في هذه الحالة ، قد ينشأ مربع بحيث يقع أحد الجسيمات المضادة أعلى الجسيم الأصلي ، مما يؤدي إلى القضاء على تلك الزاوية. ثم ينبثق مربع ثانٍ من الفراغ بحيث يهلك أحد جوانبه مع وجود جانب من المربع الأول. هذا يترك وراءه الجانب المقابل للمربع الثاني ، والذي يتكون أيضًا من جسيم وجسيم مضاد. تكون الحركة الناتجة هي حركة زوج جسيم - جسيم مضاد يتحرك جانبياً في خط مستقيم. في هذا العالم - مثال على مرحلة الكسر - يتم تقييد حركة الجسيم الفردي ، ولكن يمكن للزوج أن يتحرك بسهولة.

تأخذ شفرة Haah هذه الظاهرة إلى أقصى الحدود: لا يمكن للجسيمات أن تتحرك إلا عندما يتم استدعاء جسيمات جديدة في أنماط متكررة لا تنتهي أبدًا تسمى الفركتلات. لنفترض أن لديك أربعة جسيمات مرتبة في مربع ، ولكن عندما تقوم بتكبير كل زاوية تجد مربعًا آخر من أربعة جسيمات قريبة من بعضها البعض. قم بتكبير الزاوية مرة أخرى وستجد مربعًا آخر ، وهكذا. لكي يتجسد مثل هذا الهيكل في الفراغ يتطلب الكثير من الطاقة بحيث يستحيل تحريك هذا النوع من الكسور. يسمح هذا بتخزين وحدات البت المستقرة جدًا - أجزاء الحوسبة الكمومية - في النظام ، حيث لا يمكن للبيئة تعطيل الحالة الحساسة للكيوبتات.

تجعل ثبات الكسور من الصعب للغاية وصفها على أنها سلسلة متصلة سلسة من بعيد. نظرًا لأن الجسيمات عادة ما تتحرك بحرية ، إذا انتظرت لفترة طويلة بما يكفي ، فسوف تتصارع في حالة توازن ، تحددها خصائص الكتلة مثل درجة الحرارة أو الضغط. تتوقف أهمية المواقع الأولية للجسيمات. لكن الكسور عالقة في نقاط معينة أو يمكنها فقط التحرك في مجموعات على طول خطوط أو مستويات معينة. يتطلب وصف هذه الحركة تتبع مواقع الكسور المميزة ، وبالتالي لا يمكن للمراحل التخلص من طابعها المجهري أو الخضوع لوصف التسلسل المعتاد.

قال فيجاي ، الباحث في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، إن سلوكهم المجهري الحازم يجعل من "التحدي لتخيل أمثلة على الكسور والتفكير بعمق فيما هو ممكن". "بدون وصف مستمر ، كيف نحدد حالات المادة هذه؟"

قال تشين: "نحن نفتقد جزءًا كبيرًا من الأشياء". "ليس لدينا أي فكرة عن كيفية وصفها وماذا تعني."

إطار عمل جديد للكسر

لم يتم تصنيع الكسور في المختبر بعد ، لكن من المحتمل أن يتغير ذلك. كانت بعض البلورات ذات العيوب الثابتة تبين أنها تشبه رياضيا الكسور. وقد انتشر المشهد النظري للكسور إلى ما هو أبعد مما توقعه أي شخص ، مع ظهور نماذج جديدة كل شهر.

"من المحتمل في المستقبل القريب أن يأخذ شخص ما أحد هذه المقترحات ويقول ،" حسنًا ، لنقم ببعض التجارب البطولية مع الذرات الباردة ونحقق بالضبط أحد نماذج الكسور هذه. " بريان سكينر، عالم فيزياء المادة المكثفة في جامعة ولاية أوهايو الذي ابتكر نماذج فركتون.

حتى بدون تحقيقها التجريبي ، فإن مجرد الاحتمال النظري للكسور دق أجراس الإنذار لـ Seiberg ، وهو خبير رائد في نظرية المجال الكمي ، وهو الإطار النظري الذي يتم فيه وصف جميع الظواهر الفيزيائية تقريبًا.

نظرية المجال الكمي يصور الجسيمات المنفصلة على أنها إثارة في مجالات مستمرة تمتد عبر المكان والزمان. إنها أنجح نظرية فيزيائية تم اكتشافها على الإطلاق ، وهي تشمل النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - المعادلة الدقيقة التي تحكم جميع الجسيمات الأولية المعروفة.

"الكسور لا تنسجم مع هذا الإطار. لذا فإن رأيي هو أن إطار العمل غير مكتمل ، "قال زايبرج.

هناك أسباب وجيهة أخرى للاعتقاد بأن نظرية المجال الكمومي غير مكتملة - لسبب واحد ، أنها فشلت حتى الآن في حساب قوة الجاذبية. إذا تمكنوا من اكتشاف كيفية وصف الكسور في إطار نظرية المجال الكمي ، فإن سايبيرج ومنظرين آخرين يتوقعون أدلة جديدة نحو نظرية الجاذبية الكمية القابلة للتطبيق.

قال Seiberg: "إن التكتم على الكسور من المحتمل أن يكون خطيرًا ، لأنه يمكن أن يدمر الهيكل الكامل الذي لدينا بالفعل". "لكن إما أن تقول إنها مشكلة ، أو تقول إنها فرصة."

هو وزملاؤه تطوير نظريات جديدة في مجال الكم التي تحاول أن تشمل غرابة الكسور من خلال السماح ببعض السلوك المنفصل على قمة حجر الأساس للزمكان المستمر.

قال "نظرية المجال الكمي هي بنية دقيقة للغاية ، لذلك نود تغيير القواعد بأقل قدر ممكن". "نحن نسير على جليد رقيق للغاية ، على أمل الوصول إلى الجانب الآخر."

أفلاطون. Web3 مُعاد تصوره. تضخيم ذكاء البيانات.

انقر هنا للوصول.

المصدر: https://www.quantamagazine.org/fractons-the-weirdest-matter-could-yield-quantum-clues-20210726/

بقعة_صورة

أحدث المعلومات الاستخباراتية

بقعة_صورة