ექსპერიმენტით ანიონების არსებობა დასაბუთდა — გარღვევა კვანტურ მექანიკაში

სამყაროს შემადგენელი ყველა ნაწილაკი ან ფერმიონია, ან ბოზონი. ეს კატეგორიები სამყაროს შემადგენელ ბლოკებს ორ სამეფოდ ყოფს. ცოტა ხნის წინ კი მკვლევრებმა ნაწილაკების მესამე სამეფოს, ანიონების არსებობის დამტკიცება შეძლეს.

ანიონები არც ფერმიონებივით იქცევიან და არც ბოზონებივით. ისინი სადღაც შუაში არიან. Science-ში გამოქვეყნებული კვლევის თანახმად, ფიზიკოსებმა ამ ნაწილაკების არსებობის დადასტურება ექსპერიმენტით შეძლეს.

“ადრე გვქონდა ბოზონები და ფერმიონები, ახლა კი მესამე სამეფოც გვაქვს”, — თქვა ფრენკ ვილჩეკმა, MIT-ის ნობელიანტმა მკვლევარმა, — “ეს უმნიშვნელოვანესი აღმოჩენაა”.

რა არის ანიონი?

იმისთვის, რომ კვანტური სამეფოები წარმოიდგინოთ, იფიქრეთ მათზე, როგორც მარყუჟებზე. წარმოიდგინეთ ორი ერთნაირი ნაწილაკი, მაგალითად, ელექტრონი, რომელთაგანაც ერთი მეორეს წრეს არტყამს და საწყის პოზიციას უბრუნდება. თითქოს არაფერი შეცვლილა. კვანტური მექანიკის მათემატიკურ ენაზე, ორი ტალღური ფუნქცია, რომელიც საწყის და საბოლოო მდგომარეობას აღწერს, ან ტოლია ან ნიშნით განსხვავდება (კვანტურ მექანიკაში მოვლენის ალბათობას ტალღური ფუნქციის კვადრატში აყვანით ვადგენთ, შესაბამისად, ნიშანში განსხვავებულობა კვადრატში აყვანის შემდეგ აღარ ჩანს).

თუ ეს ტალღური ფუნქციები იდენტურია, მაშინ კვანტური ნაწილაკები ბოზონები არიან. თუ ისინი ნიშნით განსხვავდება (როგორც მაგალითად 1 და -1), საქმე ფერმიონებთან გვაქვს. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ცვლილება მხოლოდ მათემატიკური სახის შეიძლება გვეგონოს, ის მნიშვნელოვან ფიზიკურ განსხვავებას ქმნის.

ფერმიონები ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობას არასდროს იკავებენ. შეიძლება ითქვას, რომ ისინი ანტისოციალურები არიან. ამის გამო, ელექტრონები, რომლებიც ფერმიონები არიან ატომის გარშემო სხვადასხვა შრეებში თავსდებიან. სწორედ ეს ფენომენი ქმნის პერიოდული სისტემის ელემენტების მრავალფეროვან სამყაროს.

ბოზონები კი, მეორე მხრივ, სოციალური ნაწილაკები არიან. მათ ერთად შეგროვება და ერთი და იმავე კვანტური მდგომარეობის გაზიარება მოსწონთ. ამის მაგალითია ფოტონები, რომლებიც მუდმივად გადიან ერთმანეთში, რის გამოც სინათლე შეუფერხებლად მოძრაობს.

საინტერესოა რა ხდება მაშინ, როცა ერთი კვანტური ნაწილაკი მეორეს გარშემო მარყუჟს ქმნის, მაგრამ იმავე კვანტურ მდგომარეობას არ დაუბრუნდება? — ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად ტოპოლოგიის, ანუ ფორმების მათემატიკური კვლევის დარგი უნდა მოვიხმოთ. ორი ფორმა ტოპოლოგიურად ეკვივალენტურია, როცა ერთის მეორედ გარდაქმნა გაჭრის ან შეწებების გარეშე შეიძლება. ცნობილი გამოთქმის თანახმად, დონატი და ყავის ჭიქა ტოპოლოგიურად ეკვივალენტურები არიან.

მივუბრუნდეთ მარყუჟს, რომელიც პირველად განვიხილეთ, სადაც ერთი ნაწილაკი მეორეს შემოვატარეთ და ამით ის თავის საწყის პოზიციას დაუბრუნდა. სამ განზომილებაში მარყუჟის დაპატარავება იმდენად არის შესაძლებელი, რომ მისი დიამეტრი თითქმის ნულის ტოლი იქნება. ტოპოლოგიურად ისე გამოდის, თითქოს ნაწილაკი არც კი განძრეულა.

იგივე რამე ორ განზომილებაში ვერ გამოვა. მარყუჟს ისე ვერ დააპატარავებ, რომ არ “გაწყდეს”, რადგან ერთი ნაწილაკი მეორეს “წამოედება”. ამ შეზღუდვის გამო, რომელიც მხოლოდ ორ განზომილებაში არსებობს, ერთი ნაწილაკის მიერ მეორისთვის მარყუჟის შემოვლება ნაწილაკის იმავე ადგილას დატოვებას არ ნიშნავს.

სწორედ ამიტომ გვჭირდება მესამე ვერსია: ანიონები. ეს ნაწილაკები არც ფერმიონები არიან და არც ბოზონები, არამედ ნებისმიერი რამ მათ შორის.

ექსპერიმენტი

ტოპოლოგიური არგუმენტი პირველი მინიშნება იყო იმაზე, რომ ანიონები არსებობენ. დარჩენილი იყო მათი ფიზიკურად დადასტურება.

როდესაც ელექტრონები ორგანზომილებიან სივრცეში აბსულუტურ ნულთან მიახლოებულ ტემპერატურაზე მოძრაობენ ძლიერ მაგნიტურ ველში, ხშირად უცნაური ამბები ხდება. 1980-იანი წლებიდან მოყოლებული ფიზიკოსები ამ მდგომარეობას ნაწილობრივი კვანტური ჰოლის ეფექტზე დასაკვირვებლად იყენებდნენ, როცა ელექტრონები ე.წ. კვაზინაწილაკებს ქმნიან, რომლებიც ერთი ელექტრონივით იქცევიან.

1984 წელს მეცნიერებმა ვილჩეკმა, აროვასმა და შრაიფერმა ორგვერდიან ნაშრომში აჩვენეს, რომ ეს კვაზინაწილაკები ანიონები უნდა ყოფილიყო, თუმცა ამ დრომდე ამის ექსპერიმენტით დადასტურების შესაძლებლობა არ გვქონია. რთული იყო იმის დამტკიცება, რომ ანიონები არც ფერმიონებსა და არც ბოზონებს არ ჰგავდნენ, არც ერთად გროვდებოდნენ და არც ერთმანეთს განიზიდავდნენ.

2016 წელს სამმა ფიზიკოსმა აღწერა ექსპერიმენტული გარემო, რომელიც ორ განზომილებაში პატარა ამაჩქარებელს ჰგავს. მათ ანიონები ერთმანეთს შეაჯახეს და გაზომეს კოლაიდერში არსებული ნაკადების ცვალებადობა. მათ დაადგინეს, რომ ანიონების ქცევა თეორიულ ნაწილს ემთხვეოდა.

“ყველაფერი იმდენად კარგად ჯდება თეორიაში, რომ კითხვები არ რჩება”, — ამბობს დმიტრი ფელდმანი, ბრაუნის უნივერსიტეტის ფიზიკოსი, — “რაც ამ სფეროსთვის ნამდვილი იშვიათობაა”.

წყარო : on.ge

ახალგაზრდა ანალიტიკოსთა და მეცნიერთა დარბაზი ,,დოქტინა”

გაზიარება:

0