Het is een waarheid van zowel de natuurkunde als de dagelijkse ervaring dat dingen uit elkaar vallen. Ijs smelt. Gebouwen brokkelen af. Elk object raakt, als je lang genoeg wacht, onherkenbaar met zichzelf en zijn omgeving vermengd.

Maar vanaf 2005 zorgde een reeks doorbraken ervoor dat deze dodenmars optioneel leek. In precies de juiste kwantumsetting zou elke rangschikking van elektronen of atomen tot in de eeuwigheid blijven bestaan ​​– zelfs ongelijkmatige rangschikkingen die bruisen van activiteit. De bevinding druiste in tegen de conventionele wijsheid dat kwantumfenomenen kwetsbare dingen zijn, die alleen bij extreem lage temperaturen waarneembaar zijn. Het sloeg ook een gat in de fundamenten van de thermodynamica, de eerbiedwaardige tak van de natuurkunde die verschijnselen als hitte en entropie verklaart als onvermijdelijke gevolgen van het samenspel van enorme zwermen deeltjes.

De resultaten kwamen als een schok voor natuurkundigen Norman Yao, destijds een afgestudeerde student die nu professor is aan de Harvard University. ‘Heilige hel,’ herinnerde hij zich dat hij dacht, terwijl hij een sterker woord gebruikte dan hel. “Als dit waar is in een interactief systeem met veel deeltjes, dan faalt de statistische mechanica. De thermodynamica faalt.”

Het idee van een radicaal nieuwe kwantumstabiliteit verspreidde zich. Het inspireerde theoretici om een ​​menagerie van nieuwe fasen van kwantummaterie op te roepen, zoals tijdkristallen – systemen die zich voor onbepaalde tijd herhalen zonder energie te absorberen. En kwantumingenieurs die de strijd aangingen met de schichtigheid van qubits om kwantumcomputers te bouwen, kregen moed bij deze indicatie dat hun strijd te winnen was.

“In een kwantumcomputer moet je een geheugen hebben voor je beginvoorwaarden; anders kun je niets doen”, zei Yao.

De opeenstapeling van bewijsmateriaal bereikte in 2014 een hoogtepunt met een rigoureus wiskundig bewijs dat kwantumpatronen inderdaad eeuwig konden voortduren.

De afgelopen jaren is de belofte van eeuwig stabiele kwantumstructuren echter zelf gaan wankelen. Dergelijke patronen kunnen inderdaad eeuwenlang aanhouden, zoals uit de baanbrekende experimenten blijkt. Maar er woedt een debat over de vraag of deze aionen zich werkelijk tot in de eeuwigheid kunnen uitstrekken, zoals veel natuurkundigen hebben geloofd. Tijdens het ontleden van de fundamentele aard van het kwantumlot hebben de betrokken natuurkundigen voorheen onbekende kwantumfenomenen ontdekt die de stabiliteit van grote hordes deeltjes bedreigen.

'Je dacht dat je [dit idee] heel goed begreep, en nu begrijp je dat niet', zei hij Vedika Khemani, een natuurkundige aan de Stanford Universiteit. "Dat is leuk. Er is weer een mysterie om op te lossen.”

Een smaak van eeuwigheid

Een vroege aanwijzing voor kwantumeeuwigheid werd opgepikt door Phil Anderson, een natuurkundige die een legende in zijn vakgebied zou worden. In de jaren vijftig bestudeerde Anderson bij Bell Labs wat toen de allernieuwste natuurkunde was: het gedrag van elektronen in halfgeleiders. Terwijl hij enkele raadselachtige experimentele resultaten probeerde te begrijpen, merkte hij dat hij aan een abstracter probleem dacht.

Was het mogelijk, vroeg Anderson zich af, om één enkel kwantumdeeltje op zijn plaats te houden?

Een klassiek voorwerp, zoals een biljartbal, kun je gemakkelijk vangen. Omring het gewoon met barrières, zoals de rails van een biljarttafel. Maar kwantumdeeltjes kunnen reizen zonder rekening te houden met barrières door er doorheen te ‘tunnelen’. Het probleem is dat ze niet ver kunnen reizen. Tunnelen wordt moeilijk – dat wil zeggen exponentieel onwaarschijnlijk – naarmate een deeltje verder probeert te gaan. Anderson vroeg zich af welke omgeving een kwantumontsnappingskunstenaar zou kunnen bevatten.

Het geheim, zo ontdekte hij, was om het deeltje in een ‘ongeordend’ kwantumlandschap te plaatsen, bezaaid met pieken en dalen. Elke locatie zou een willekeurige hoogte hebben, die een willekeurige energie vertegenwoordigt. In een echt materiaal kan deze stoornis voortkomen uit onzuiverheden zoals ontbrekende atomen of atomen van verschillende elementen.

Bij voldoende wanorde, zo concludeerde Anderson, zou een deeltje nooit ver kunnen tunnelen. Om te kunnen tunnelen moet een deeltje een locatie vinden met een vergelijkbare energie (of op een vergelijkbare hoogte) als de locatie waar het begint. En meer wanorde maakt dergelijke locaties schaarser. Door verder het landschap in te kijken, zou een deeltje kandidaat-locaties met een behoorlijke snelheid kunnen verkennen. Deze snelheid zou behoorlijk snel kunnen zijn in “hogere” dimensies zoals 2D-vlakken en 3D-stenen, waar het deeltje meer opties tot zijn beschikking heeft. Maar de exponentiële moeilijkheid om die locaties te bereiken zou altijd nog sneller toenemen, waardoor tunnelen een onwaarschijnlijk voorstel zou worden.

Tunnelen was niet genoeg, betoogde Anderson een 1958-papier. Een wanordelijk landschap van welke dimensie dan ook zou een deeltje ‘lokaliseren’. Het werk bleef jarenlang in wezen ongelezen, hoewel het hem uiteindelijk een deel van de boeken zou opleveren 1977 Nobelprijs voor natuurkunde.

Hoewel Andersons overpeinzingen waren geïnspireerd door elektronen in een halfgeleider, blijkt uit zijn kadrering dat hij abstracter dacht. De anomalie die hem had gemotiveerd was een mysterieuze weerstand tussen elektronen tegen een proces dat bekend staat als thermalisatie. Hij probeerde dieper te begrijpen wanneer een systeem wel of niet zou thermaliseren. Hij was niet de eerste natuurkundige die dit fenomeen bestudeerde, maar de vragen die hij in zijn werk opriep zouden tot de verbeelding spreken van een latere generatie natuurkundigen.

“Het was zijn tijd vijftig jaar vooruit”, zegt hij David Huse, een natuurkundige aan de Universiteit van Princeton.

In het dagelijks taalgebruik is thermalisatie de natuurlijke neiging van systemen om met elkaar in de war te raken. Een nieuw kaartspel verliest snel zijn oorspronkelijke volgorde. Een zandkasteel slingert zich op als een natte klomp zand. In de thermodynamica is deze trend een eenvoudig gevolg van de statistiek. Er zijn slechts een paar manieren om te bestellen en een enorm aantal manieren om door elkaar te worden gehaald, dus een aanvankelijk geordend systeem zal zeer waarschijnlijk uiteindelijk gemengd worden.

Het belangrijkste kenmerk van thermalisatie is dat alle initiële patronen door het mengen worden weggevaagd. Elke initiële hotspot of concentratie van energie verspreidt zich bijvoorbeeld totdat geen verdere verspreiding meer mogelijk is. Op dit punt wordt het systeem stabiel en stopt het merkbaar met veranderen – een scenario dat natuurkundigen thermisch evenwicht noemen.

Achteraf gezien zien natuurkundigen dat Andersons werk de kiemen bevatte van een rebellie tegen thermalisatie. Hij had aangetoond dat een wanordelijk landschap één deeltje kon vangen. De hamvraag werd: zou het veel deeltjes kunnen lokaliseren? Als deeltjes op hun plaats zouden blijven zitten, zou de energie zich niet verspreiden en zou een systeem nooit thermaliseren. Als het tegenovergestelde van thermalisatie zou lokalisatie een geheel nieuw soort stabiliteit vertegenwoordigen, een onverwachte manier waarop kwantumenergiepatronen voor altijd kunnen blijven bestaan.

“Weten of thermalisatie iets universeels is dat zal gebeuren in een gesloten systeem, of dat het volledig kapot kan gaan”, zegt Maissam Barkeshli, een natuurkundige aan de Universiteit van Maryland, “is een van de meest fundamentele vragen in de natuurkunde.”

Om die vraag te beantwoorden zou echter een probleem moeten worden opgelost waardoor Andersons Nobelprijswinnende werk een opwarmertje leek. Het fundamentele probleem is dat groepen deeltjes elkaar op enorm complexe manieren kunnen beïnvloeden. Het verklaren van deze interacties bleek zo ingewikkeld dat er bijna vijftig jaar zouden verstrijken tussen Anderson's artikel uit 50 en de eerste serieuze pogingen om de lokalisatie in systemen met veel deeltjes te begrijpen, die natuurkundigen lokalisatie van veel deeltjes noemen.

Het ongelooflijke antwoord dat een halve eeuw later naar voren zou komen, was dat thermalisatie niet altijd onvermijdelijk is. Ondanks de thermalisatie leek lokalisatie van meerdere lichamen mogelijk.

“Het overtreedt de wetten van de thermodynamica”, zei hij Wojciech De Roeck, een natuurkundige aan de KU Leuven in België. “Het betekent dat chaos niet altijd wint.”

De opkomst van lokalisatie van veel lichamen

Het blockbuster-vervolg op Anderson's werk kwam in 2005 Dennis Basko, Igor Aleiner en Boris Altshuler, natuurkundigen met banden aan de universiteiten van Princeton en Columbia, publiceerden een baanbrekend artikel dat hun initialen onmiddellijk herkenbaar zou maken voor onderzoekers in het veld. Daarin onderzocht BAA of atomaire onzuiverheden in een metaal elektronen konden lokaliseren, ze in de buurt van atomen konden opsluiten en het geleidende materiaal in een isolator konden transformeren.

In 88 pagina's van compacte wiskunde bestaande uit 173 genummerde vergelijkingen en 24 cijfers (exclusief bijlagen), toonde BAA aan dat een rommelig materiaal inderdaad groepen elektronen op hun spoor kon tegenhouden, net zoals Anderson had aangetoond dat het één deeltje kon tegenhouden. Hun werk lanceerde effectief de studie van de lokalisatie van veel lichamen, of MBL.

“Het was echt een hoogstandje”, zei Khemani. “Ze lieten zien dat MBL in alle dimensies stabiel is.” Het werk was ook ondoordringbaar. Onderzoekers geloofden het, maar begrepen het niet goed genoeg om erop voort te bouwen. “Niemand anders dan zijzelf kon de BAA-berekening uitvoeren”, zei hij Jed Pixley, een natuurkundige op het gebied van de gecondenseerde materie aan de Rutgers University.

Maar de bevindingen van BAA veroorzaakten wel rimpelingen over de campus van Princeton. Basko vertelde het aan zijn vriend Vadim Oganesyan, die het besprak met zijn adviseur, David Huse. Ze voerden al computersimulaties uit waarmee ze de ideeën van BAA directer konden testen in de meer abstracte context van thermalisatie.

In hun simulaties hebben Huse en Oganesyan ketens van kwantumdeeltjes opgezet die naar boven of naar beneden konden wijzen en hun buren konden omdraaien. Toen ze er steeds meer wanorde aan toevoegden, volgens het lokalisatierecept, zagen ze tekenen dat de ketens van deeltjes overschakelden van een thermaliserend scenario (waarbij bijvoorbeeld een snel ronddraaiend deeltje zijn energie zou verspreiden en zijn buren zou gaan omdraaien) naar een bijna gelokaliseerd scenario (waarbij het deeltje zijn energie zou vasthouden). De overgang van thermalisatie naar lokalisatie op een bepaald niveau van wanorde leek veel op overgangen tussen fasen van materie, zoals tussen vloeistof en ijs, die plaatsvinden bij een bepaalde temperatuur.

Zou MBL in aanmerking kunnen komen als een soort fase? Fasen hebben een speciale status in de natuurkunde. Ze hebben ook een speciale definitie. Cruciaal is dat een fase van materie stabiel moet zijn gedurende een oneindig lange periode en voor een oneindig groot systeem. Als er inderdaad een overgang zou zijn tussen thermalisatie en lokalisatie, en als lokalisatie voor onbepaalde tijd zou plaatsvinden voor oneindige systemen, zouden de twee soorten stabiliteit misschien als afzonderlijke fasen kunnen worden beschouwd.

Oganesyan en Huse konden oneindig lange ketens niet oneindig lang simuleren (ze konden ongeveer een dozijn deeltjes doen), dus waren ze niet verrast dat ze imperfecte tekenen van lokalisatie zagen. Maar naarmate ze hun ketens langer maakten, werd de overgang naar lokalisatie scherper. Hun eerste werk, geplaatst in 2006plaagde de intrigerende mogelijkheid dat er voor oneindig lange ketens met voldoende wanorde een lokaliserende fase zou kunnen bestaan.

Misschien nog belangrijker was dat hun simulaties gemakkelijk te begrijpen waren. “David maakte de berekening zodat iedereen het kon doen,” zei Pixley.

Daaropvolgende numerieke studies ondersteunden het idee dat een ruig landschap energie zou kunnen lokaliseren, en natuurkundigen begonnen de implicaties ervan te overwegen. Zondvloeden van energie, vaak in de vorm van hitte, vernietigen delicate fasen van kwantummaterie. Maar als voldoende grillige pieken de verspreiding van energie zouden kunnen tegenhouden, zouden kwantumstructuren effectief bij elke temperatuur kunnen overleven. “Je bent in staat om verschijnselen te verkrijgen die we echt associëren en die we alleen begrijpen bij een temperatuur van nul,” zei hij Anushya Chandran, een natuurkundige aan de Boston University die MBL studeerde als afgestudeerde student aan Princeton.

Eén spraakmakende kwantumstructuur die uit MBL voortkwam, was een patroon in de tijd. Draai het ene uiteinde van een keten van deeltjes met een bepaalde snelheid om, en de hele keten kan tussen twee configuraties schakelen zonder de energie van het omdraaien te absorberen. Deze "tijd kristallen'waren een exotische fase van materie die uit evenwicht was, wat alleen mogelijk was omdat een voldoende wanordelijk landschap elke denkbare rangschikking van deeltjes ervan weerhield een thermisch evenwicht te bereiken.

"Er is gewoon geen analogie", zei Khemani, die rond deze tijd via Princeton kwam en een pioniersrol zou gaan spelen in het begrijpen en creëren van tijdkristallen. “Dat is een complete paradigmaverschuiving.”

Het laatste stukje van de theoretische puzzel viel in 2014 op zijn plaats John Imbri, een wiskundig natuurkundige aan de Universiteit van Virginia, heeft aangetoond dat als je een oneindig lange keten van deeltjes met voldoende wanorde aan elkaar kunt rijgen, elke configuratie zou gelokaliseerd blijven. Ondanks het vermogen van de deeltjes om met hun buren te communiceren, zouden ze individueel voor altijd hun eigen ding blijven doen.

Het rigoureuze wiskundige bewijs, zoals zeldzaam in de natuurkunde, was het resultaat van vijf jaar inspanning. Het garandeerde vrijwel dat lokalisatie mogelijk was, waardoor de status ervan als fase werd versterkt. "Als je een wiskundig argument gebruikt, moet je elke mogelijkheid overwegen", zei Imbrie. “Dat is een deel van de schoonheid.”

Rond dezelfde tijd bevestigden natuurkundigen met laboratoria die gespecialiseerd waren in het manipuleren van koude atomen dat echte deeltjes zich vrijwel hetzelfde gedroegen als digitale deeltjes. Bescheiden aantallen atomen, gescheiden door bergen van licht, verspreidden zich in een gletsjertempo, beide wanneer gerangschikt in 1D-lijnen en wanneer gerangschikt in 2D-rasters.

Met een overwicht aan experimenteel, wiskundig en numeriek bewijs leek MBL voorbestemd om naast magnetisme en supergeleiding het pantheon van fase-overgangen te betreden. Natuurkundigen verwachtten dat een grote verscheidenheid aan verschillende systemen in verschillende dimensies hun veronderstelde thermodynamische lot op flagrante wijze zouden kunnen negeren.

In 2022 kende de American Physical Society Altshuler, Huse en Aleiner de prestigieuze prijs toe Lars Onsager-prijs, genoemd naar de wiskundige natuurkundige die bewees dat a tekenfilmmodel legde de faseovergang vast toen een materiaal gemagnetiseerd werd.

Maar zelfs voordat de prijzen werden uitgereikt, begon het idee van oneindig duurzame structuren uiteen te vallen.

Het begin van de wiebel

De eerste beving kwam ongeveer anderhalf jaar na Imbrie's bewijs.

Bedenk dat men denkt dat de overgang van thermalisatie naar lokalisatie verloopt als overgangen tussen bekende fasen van materie. Wanneer metaal bijvoorbeeld magnetiseert, veranderen bepaalde eigenschappen met bepaalde snelheden, beschreven door zorgvuldig berekende vergelijkingen. Bepaalde waarden in deze vergelijkingen hebben bepaalde exponenten, zoals de 2 in x².

Voor een echte faseovergang in één dimensie hadden wiskundigen bewezen dat twee van deze exponenten groter moesten zijn dan 2. Maar uit de MBL-simulaties bleek dat ze 1 waren – een groot meningsverschil. In een nog ongepubliceerde voordruk Oganesyan en Chandran, samen met Christopher Laumann van de Boston University, toonden in 2015 aan dat de mismatch niet slechts een triviaal neveneffect was van het bestuderen van korte ketens in plaats van oneindige ketens. Er leek iets fundamentelers mis te zijn.

"Ze hebben er zorgvuldig naar gekeken", zei Huse. “Maar we konden er niet achter komen wat er aan de hand was.”

In de daaropvolgende jaren volgde een reeks grotere schokken. Stel je het soort bergachtig landschap voor dat tot MBL zou leiden. Breid dat landschap nu uit tot in het oneindige, in alle richtingen. Als je er willekeurig genoeg van verkent, zul je op een gegeven moment een uitgestrekt vlak gebied tegenkomen.

Deeltjes in een vlakke zone kunnen gemakkelijk toestanden van vergelijkbare energie vinden om naar toe te tunnelen, zodat ze zich vermengen en thermaliseren. In zo'n regio zijn energietoestanden in overvloed aanwezig, waardoor de kans groter wordt dat een deeltje in de naburige bergen contact kan maken en zelf kan thermisch worden, betoogde De Roeck van de KU Leuven en François Huveneers, die toen aan de Universiteit van Paris-Dauphine in Frankrijk zat. Zo kan de vlakke zone dienen als bron van thermaliserende energie.

Maar zou zo’n kleine patch het hele systeem plat kunnen leggen? Het scenario leek intuïtief ongeveer net zo plausibel als een bubbelbad in Denver dat meltdowns veroorzaakte in Vail, Breckenridge en Telluride. Natuurkundigen accepteerden het niet meteen. Toen De Roeck en Huveneers de mogelijkheid op conferenties ter sprake brachten, veroorzaakten hun gesprekken woede-uitbarstingen bij het publiek.

“Het was een grote verrassing”, aldus De Roeck. “Veel mensen geloofden ons in het begin niet.”

In een reeks artikelen die beginnen in 2016De Roeck, Huveneers en medewerkers pleitten voor een proces dat nu bekend staat als een lawine. Ze voerden aan dat wat begint als een druppel thermische deeltjes, in tegenstelling tot een bubbelbad, in een oceaan kan sneeuwballen.

"Je hebt een warmtebad en het werft aangrenzende locaties voor het warmtebad", zei Imbrie. “Het wordt sterker en sterker en trekt steeds meer locaties binnen. Dat is de lawine.”

De cruciale vraag was of een lawine aan kracht zou winnen of juist zou verliezen. Met elke stap zou het warmtebad inderdaad een groter en beter energiereservoir worden. Maar elke stap maakte het thermaliseren van de volgende locatie ook moeilijker. Het debat doet denken aan Andersons lokalisatie van één deeltje en kwam neer op een race tussen twee effecten: de verbetering van het bad versus de moeilijkheid om verder te groeien.

De Roeck en Huveneers voerden aan dat lawines in twee en drie dimensies zouden winnen, omdat ze ongelooflijk snel energietoestanden opstapelden – met snelheden die verband hielden met hun snel groeiende oppervlakte (in 2D) of volume (in 3D). De meeste natuurkundigen gingen aanvaarden dat lawines in deze landschappen niet te stoppen waren, waardoor MBL in platen of stenen een afgelegen vooruitzicht werd.

Maar de mogelijkheid van MBL in eendimensionale ketens bleef bestaan, omdat een lawine die over een lijn raast de energietoestanden langzamer opbouwt. In feite wordt het warmtebad krachtiger in ongeveer dezelfde mate waarin de moeilijkheidsgraad van de groei toeneemt. Het was een gelijkspel. Lawines kunnen in 1D doorgaan, of stoppen.

Andere natuurkundigen raakten ondertussen sceptisch over het feit dat MBL zelfs in een 1D-keten zou kunnen bestaan. In 2019 heeft een team van Sloveense chaosexperts onder meer Tomaz Prosen analyseerde oude numerieke gegevens opnieuw en benadrukte het feit dat naarmate het landschap bergachtiger werd, de thermalisatie enorm vertraagde maar nooit helemaal gestopt – een ongemakkelijke waarheid die MBL-onderzoekers als een artefact van hun kleinschalige simulaties hadden beschouwd. Anatoli Polkovnikov van de Universiteit van Boston en Dries Sels, nu van onder meer de New York University en het Flatiron Institute, kwamen naar soortgelijke conclusies. Hun argumenten daagden rechtstreeks de centrale aantrekkingskracht van MBL uit: de belofte van eeuwig leven voor een kwantumzandkasteel.

“Op het niveau van theoretici die over MBL praten,” zei Chandran, “is er een eerlijk-tot-God-regime waarbij [de thermalisatietijd] niet alleen de leeftijd van het universum is, en we kunnen het niet zien. Nee, het is werkelijk oneindig.”

Er volgde een krachtig debat, zowel in de wetenschappelijke literatuur als in privégesprekken. Sels en Huse brachten uren door op Zoom tijdens de diepten van de pandemie. Ze praatten soms langs elkaar heen, maar ze crediteren elkaar met productieve inzichten. De ins en outs van de controverse zijn uiterst technisch, en zelfs de betrokken onderzoekers kunnen niet alle perspectieven volledig verwoorden. Maar uiteindelijk komen hun verschillen neer op het feit dat elk kamp een ander opgeleide – extreem opgeleide – persoon laat raden wat je zou zien als je een keten van deeltjes voor altijd zou kunnen zien omdraaien.

De twee partijen zijn het nog steeds niet eens over de vraag of er in één dimensie een echte MBL-fase bestaat, maar een concreet resultaat van de botsing is dat het onderzoekers ertoe aanzette het effect dat lawines zouden kunnen hebben op het veronderstelde begin van MBL nauwkeurig te onderzoeken.

De sceptische groepen “hadden een aantal zeer goede punten, maar ze gingen daar iets te ver in”, zei Huse. “Het heeft ons echt gemotiveerd.”

Huse heeft in samenwerking met een team van MBL-veteranen, waaronder Khemani, een manier bedacht om het effect van een lawine op korte ketens te simuleren zonder er daadwerkelijk een te veroorzaken. (Niemand heeft een lawine gezien, zelfs niet numeriek, want om een ​​voldoende grote vlakke plek te krijgen heb je misschien een keten van miljarden deeltjes nodig, schat Sels, en onderzoekers bestuderen doorgaans ketens van ongeveer twaalf.) Sels ontwikkelde vervolgens zijn eigen lawinemodel. omhoog.

De twee groepen kwamen bij gelijk conclusies in 2021: De MBL-transitie, als die al bestond, vereiste een veel bergachtiger landschap dan onderzoekers hadden gedacht. Met het robuustheidsniveau waarvan eerder werd gedacht dat het MBL tot stand zou brengen, zou de thermalisatie vertragen, maar niet stoppen. Om kwantumsneeuwmannen een kans te geven om tegen lawines te vechten, zou het landschap meer wanordelijk moeten zijn dan Huse en zijn compagnons hadden vermoed. De groep van Huse ontdekte aanvankelijk dat de bergen minstens twee keer zo ruig moesten zijn. Door het werk van Sels is dat aantal tot minstens zes keer zo ruig geworden, waardoor de bergen meer op de Himalaya dan op de Rockies lijken. MBL kan nog steeds voorkomen in die extreme omstandigheden, maar de theorie die rond de minder ruige transitie was opgebouwd, kende inderdaad problemen.

"We accepteerden het eigenlijk te grondig, en we keken niet naar de subtiliteiten ervan", zei Huse.

In de werken van 2021 herschreven en breidden de onderzoekers het MBL-fasediagram voor 1D-ketens uit. In Kansas-achtige vlakten thermaliseren deeltjes snel. In de Rockies hebben de onderzoekers de MBL-‘fase’ opnieuw geclassificeerd als een ‘pre-thermisch regime’. Dit is het schijnbaar stabiele regime dat werd ontdekt door BAA, de Princeton-simulaties en atoomexperimenten. Maar nu waren de onderzoekers tot de conclusie gekomen dat als je extreem lang zou wachten – letterlijk miljarden jaren op sommige opstellingen – de door de Rockies gescheiden deeltjes zich in feite zouden vermengen en thermaliseren.

Voorbij de Rockies ligt de Himalaya. Wat daar gebeurt blijft een open vraag. Sels en Prosen zijn ervan overtuigd dat energie zich zal verspreiden en dat er uiteindelijk thermalisatie zal optreden, ook al duurt dit eeuwen. Huse en zijn bedrijf blijven geloven dat echte MBL zijn intrede doet.

De belangrijkste reden voor hun geloof in MBL is het bewijs uit 2014. Van de ooit talrijke bewijspilaren die het bestaan ​​van echte MBL ondersteunden, is het bewijs van Imbrie het laatste dat overeind blijft. En na een carrière in het ontwikkelen van op maat gemaakte wiskundige hulpmiddelen voor juist dit soort problemen, blijft hij daar achter.

‘Het is in de wiskunde niet ongehoord dat er een fout in een bewijs zit,’ zei hij, ‘maar ik denk dat ik weet wat ik doe.’

Het bewijs verdeelt natuurkundigen echter, omdat natuurkundigen het niet begrijpen. Het is niet vanwege een gebrek aan proberen. Laumann kreeg Imbrie ooit zover om het bewijs aan hem en een handvol onderzoekers te leren gedurende een week in Italië, maar zij konden de stappen niet in detail volgen. Dat is echter niet geheel verrassend, aangezien natuurkundigen wiskunde doorgaans op een snellere en lossere manier gebruiken dan wiskundigen. Imbrie's argument is niet afhankelijk van een specifiek niveau van robuustheid in het landschap, dus de recente herzieningen van het MBL-fasediagram ondermijnen dit op geen enkele manier. Om te bepalen of MBL echt bestaat, zullen onderzoekers zich moeten neerleggen en ofwel een probleem in het bewijs moeten vinden, ofwel elke regel moeten verifiëren.

Dergelijke inspanningen zijn gaande. Sels en zijn medewerkers zeggen dat ze een argument aan het afronden zijn dat in tegenspraak is met dat van Imbrie. Ondertussen zijn De Roeck en Huveneers, de wiskundigen die de dreiging van lawines ontdekten, twee jaar bezig met een poging om Imbrie's bewijs in een meer toegankelijke vorm te herschrijven. De Roeck zegt dat ze alle belangrijke onderdelen op hun plaats hebben gezet, en tot nu toe ziet de logica er solide uit.

“MBL, ik geloof dat het bestaat”, zei De Roeck. Maar “we doen hier wiskunde, dus elk klein probleem kan de hele zaak laten ontsporen.”

Voorbij kwantumengelen

In het universum waarin we leven, dat over een onbegrijpelijk aantal jaren zal thermaliseren, is duurzaamheid altijd een soort illusie. Manhattan zinkt onder zijn eigen gewicht 1.6 centimeter per decennium. Over ongeveer 250 miljoen jaar zullen de continenten samensmelten. En terwijl dat zo is een mythe Omdat de onderkant van middeleeuwse glas-in-loodramen door de eeuwen heen iets dikker is geworden, geloven natuurkundigen dat glas over een onbekende tijdschaal vloeit, waarschijnlijk vele miljarden jaren of langer.

Als MBL onstabiel blijkt te zijn, zal een gelokaliseerd systeem met meerdere lichamen minstens zo duurzaam zijn als elk van deze voorbeelden. Dat geldt ook voor de kwantumverschijnselen die afhankelijk zijn van MBL-toestanden. Tijdkristallen zouden bijvoorbeeld hun aanduidingen in het leerboek als ‘fasen van materie’ kunnen verliezen, maar ze zouden nog steeds veel, veel langer kunnen blijven tikken dan de kwantumcomputers die ze simuleren (of de mensen die de computers bedienen, bijvoorbeeld). dat maakt niet uit). Veel academici hechten grote waarde aan de wiskundige mogelijkheid om thermalisatie te verslaan als de mooie, academische vraag die het is. Maar tegenwoordig liggen de meesten er niet veel wakker van.

‘Misschien waren het altijd engelen die dansten op de punt van een speld,’ zei Chandran.

In plaats daarvan hebben Chandran en anderen genoten van de kans om een ​​nieuw fenomeen dat thermalisatie veroorzaakt te ontdekken, een fenomeen dat natuurkundigen daadwerkelijk zouden kunnen waarnemen in kleine systemen.

In 2018 probeerden zij en haar medewerker Philip Crowley te begrijpen waarom kleine ketens langzaam leken te thermaliseren, ook al waren ze veel te klein om platte plekken te laten ontstaan. Het duo stelde vast dat groepen deeltjes af en toe geluk hadden en energie leenden van een naburige groep in de exacte hoeveelheid die ze nodig hadden om naar een nieuwe configuratie over te schakelen. Ze noemden deze toevalligheden ‘resonanties’ en observeerden hoe ze de neiging hadden zich van groep naar groep te verspreiden, wat leidde tot een langdurige thermalisatie in systemen die te klein waren voor lawines. In 2020 lieten ze zien dat resonanties de exponentmismatch van 2015 kunnen verklaren veel van de visachtige kenmerken die naar voren zijn gekomen in numerieke experimenten, inzichten die Huse en zijn bedrijf hebben geholpen het fasediagram voor korte ketens in 2021 bij te werken.

Tegenwoordig geloven natuurkundigen dat resonanties bescheiden ketens met wanorde op Rockies-niveau destabiliseren, terwijl lawines langere ketens destabiliseren op hogere niveaus van wanorde.

Terwijl Chandran en anderen hun simulaties en experimenten verbeteren en langere, ruigere ketens onderzoeken, vragen ze zich af wat er nog meer op de loer ligt in de Himalaya en daarbuiten.

"Het lijkt erop dat daarbinnen andere natuurkunde aan de hand is", zei Huse. “Dat zou voor mij het mooiste zijn. Ik vind het leuk om nieuwe dingen te ontdekken.”

Noot van de redactie: Enkele onderzoekers die in dit artikel voorkomen, hebben financiering ontvangen van de Simons Stichting, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. De financieringsbeslissingen van de Simons Foundation hebben geen invloed op onze dekking. Meer details beschikbaar hier.