В окружающем нас мире нет ничего вечного. Люди, планеты, звезды, галактики и, возможно, вся Вселенная имеют определенный «срок жизни». Но происходящее в странном квантовом мире часто не следует обычным правилам. И недавно ученые обнаружили, что квазичастицы определенных типов, существующие в квантовых системах при определенных условиях, могут существовать практически бесконечно. Это не означает, что данные квазичастицы никогда не распадаются, но они тут же восстанавливаются, словно «птица Феникс из пепла», что делает их совершенно «бессмертными».
Описанное выше с первого взгляда входит в прямое противоречие со вторым законом термодинамики, согласно которому уровень энтропии в изолированной системе может только увеличиваться. Другими словами, объекты, входящие в эту систему, могут только разрушаться, но не формировать, объединяясь с другими, более крупные и более сложные объекты. Однако, поведение объектов квантовых систем практически никогда не подчиняется обычным законом, и обнаруженные квазичастицы являются прямым тому подтверждением.
Напомним нашим читателям, что квазичастицы не являются частицами, такими, как электроны или кварки, в традиционном понимании. Квазичастицы — это следствие возникновения энергетических возбуждений в среде их существования, вызванных электрическими или магнитными воздействиями. В большинстве случаем квазичастицы — это связанные друг с другом две или большее число частиц, которые ведут себя как одна частица большого размера.
К квазичастицам можно отнести фононы — дискретные образования из энергии вибрации атомов в кристаллической решетке, поляроны, представляющие собой пойманные в ловушку поляризационного облака кристаллической решетки электроны.
В своих исследованиях ученые из Института физики сложных систем Макса Планка и Технического университета в Мюнхене сконцентрировались исключительно на квазичастицах волновой природы, подобных фононам, для чего был разработан ряд численных методов, ставший основой моделирующего программного обеспечения для суперкомпьютера. Расчеты математических моделей показали, что все частицы действительно распадаются, но некоторые из них тут же возникают снова. Распад и возникновение частицы происходят очень быстро и являются этапами еще одного колебательного процесса, способного длиться до бесконечности.
И, как указали ученые-физики, происходящее с квазичастицами не нарушает второго закона термодинамики. Поскольку колебания — это волновые функции, то во время данного процесса происходит постоянное преобразование энергии в материю и обратно, что «находится под защитой» принципа дуализма квантовых частиц. А энтропия квантовой системы в таком случае не увеличивается и не уменьшается, а остается на постоянном уровне.
Данное открытие уже позволило найти объяснения некоторым странным вещам. К примеру, на свете существует магнитный материал Ba3CoSb2O9, который обладает высокой стабильностью. И, похоже, ключевым моментом этой стабильности являются магнитные квазичастицы, магноны, которые снова возникают после их распада. Вторым примером является гелий, который превращается в сверхтекучую жидкость при температуре, близкой к абсолютному нулю. Эта особенность гелия может быть объяснена фактом наличия в нем потенциально «бессмертных» квазичастиц, называемых ротонами.
В настоящее время сделанная немецкими учеными работа лежит лишь в теоретической области. Но придет время, когда такие квазичастицы будут найдены в реальных вещах и будут определены условия, обеспечивающие их «бессмертие». И тогда такие вечные квазичастицы могут стать основными компонентами систем длительного хранения информации в квантовых вычислительных системах, к примеру.
Источник:
