Odporna na rozkład struktura wirów kwantowych w kondensacie Bosego – Einsteina przypomina nierozerwalny węzeł bez początku ani końca – wzór używany w zdobnictwie Wikingów, Celtów, ale też w kulturze chrześcijańskiej czy etiopskiej – informuje pismo „Communications Physics”.
Kondensat Bosego – Einsteina to występujący w bliskich zera bezwzględnego temperaturach i pod odpowiednim ciśnieniem stan materii, która wykazuje właściwości kwantowe.
Naukowcy z Uniwersytetu Aalto pokazali teoretycznie, jak można połączyć trzy wiry kwantowe w sposób uniemożliwiający ich rozłożenie. Struktura połączeń przypomina wzór używany przez Wikingów i inne starożytne kultury, jednak w badaniu skupiono się na wirach w specjalnej formie materii znanej jako kondensat Bosego-Einsteina. Odkrycia mają implikacje dla obliczeń kwantowych, fizyki cząstek elementarnych i innych dziedzin.
Aby wyjaśnić to zjawisko, dr Toni Annala wykorzystuje struny i wiry wodne: „Jeśli utworzysz strukturę ogniw z, powiedzmy, trzech nieprzerwanych strun w kole, nie możesz jej rozwikłać, ponieważ struna nie może przejść przez inną strunę. Z drugiej strony, jeśli ta sama okrągła struktura jest wykonana w wodzie, wiry wodne mogą zderzać się i łączyć, jeśli nie są chronione”.
“W kondensacie Bosego-Einsteina struktura powiązań jest gdzieś pomiędzy tymi dwoma przypadkami” – powiedział Annala, który rozpoczął swoje prace w grupie badawczej profesora Mikko Möttönena na Uniwersytecie Aalto, po czym wrócił na University of British Columbia, a następnie do the Institute for Advanced Study in Princeton. W badaniu uczestniczył również dr Roberto Zamora-Zamora z grupy Möttönena.
Naukowcy matematycznie wykazali istnienie struktury połączonych wirów, które nie mogą się rozdzielić ze względu na swoje podstawowe właściwości. „Nowym elementem jest to, że byliśmy w stanie matematycznie skonstruować trzy różne wiry, które były połączone, ale nie mogły przechodzić przez siebie bez konsekwencji topologicznych. Jeśli wiry przenikają się nawzajem, na skrzyżowaniu utworzyłby się sznur, który wiąże wiry razem i zużywa energię. Oznacza to, że konstrukcja nie może się tak łatwo rozpaść” – mówi Möttönen.
Struktura ta koncepcyjnie jest podobna do pierścieni boromejskich, wzoru trzech połączonych ze sobą kół, który był szeroko stosowany w symbolice i jako herb. Valknut, dosłownie „węzeł poległych” symbol Wikingów związany z Odynem (który potrafił „zawiązać” ludzki umysł) ma trzy trójkąty połączone w podobny sposób. Jeśli jedno z kół lub trójkątów zostanie usunięte, cały wzór się rozpada, ponieważ pozostałe dwa nie są bezpośrednio połączone. Każdy element łączy dwa inne, stabilizując konstrukcję jako całość.
Analiza matematyczna pokazuje, że podobnie trwałe struktury mogą istnieć pomiędzy połączonymi wirami. Tego rodzaju struktury można zaobserwować w niektórych typach ciekłych kryształów lub układów materii skondensowanej i mogą one wpływać na zachowanie i rozwój tych układów.
Odkrycia te mogą pewnego dnia pomóc w zwiększeniu dokładności obliczeń kwantowych. W topologicznych obliczeniach kwantowych operacje logiczne byłyby przeprowadzane poprzez splatanie różnych typów wirów wokół siebie na różne sposoby. „W normalnych cieczach węzły się rozplatają, ale w polach kwantowych mogą istnieć węzły z ochroną topologiczną, co teraz odkrywamy” – wskazał Möttönen.
Jak dodał Annala, “ten sam model teoretyczny można wykorzystać do opisu struktur w wielu różnych systemach, takich jak struny kosmiczne w kosmologii”. Struktury topologiczne użyte w badaniu odpowiadają również strukturom próżni w kwantowej teorii pola. Wyniki mogą zatem mieć również implikacje dla fizyki cząstek elementarnych.
„Istnienie topologicznie chronionych węzłów jest jednym z podstawowych pytań natury. Po matematycznym dowodzie możemy przejść do symulacji i badań eksperymentalnych” – podsumował Möttönen.
Autor: Paweł Wernicki
Nauka w Polsce – PAP
Wspieraj niezależne wydawnictwo:
Podoba Ci się to co robimy? Wesprzyj projekt Magna Polonia!
