Το συναρπαστικό μυστήριο των οιονεί σωματιδίων

Τα οιονεί σωματίδια είναι μερικά από τα πιο μυστηριώδη και συναρπαστικά αντικείμενα στην κβαντική φυσική. Αυτά τα παράξενα φαινόμενα είναι σχεδόν αδύνατο να παρατηρηθούν. Συμπεριφέρονται σαν σωματίδια αλλά δεν ταιριάζουν στα κανονικά χαρακτηριστικά των θεμελιωδών σωματιδίων. Τα οιονεί σωματίδια δεν εμφανίζονται ανεξάρτητα όπως τα νετρόνια ή τα άτομα.

Λοιπόν, ποια είναι αυτά τα μπερδεμένα φαινόμενα; Τα οιονεί σωματίδια θα μπορούσαν να είναι κρίσιμα για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. Παρά τον παρατεταμένο σκεπτικισμό, πολλοί πιστεύουν ότι η κβαντική επεξεργασία είναι το μέλλον των υπολογιστών. Τα οιονεί σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να κάνουν τους κβαντικούς υπολογιστές mainstream, εάν οι επιστήμονες μπορούν να τους κατανοήσουν και να τους ελέγξουν.

Οιονεί σωματίδια εναντίον θεμελιωδών σωματιδίων

Ακόμη και εντός της επιστημονικής κοινότητας, τα οιονεί σωματίδια μπορεί να είναι ένα σκοτεινό θέμα. Δεν είναι πραγματικά σωματίδια. Τα οιονεί σωματίδια είναι φαινόμενα που συμβαίνουν με θεμελιώδη σωματίδια. Αυτά τα υποατομικά σωματίδια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία του σύμπαντος. Η περίεργη σχέση μεταξύ οιονεί σωματιδίων και θεμελιωδών σωματιδίων είναι ένα βασικό μέρος αυτού που κάνει τα οιονεί σωματίδια τόσο ενδιαφέροντα.

Τα 17 θεμελιώδη σωματίδια

Υπάρχουν 17 γνωστά θεμελιώδη σωματίδια, που ονομάζονται επίσης στοιχειώδη σωματίδια. Αυτά τα υποατομικά σωματίδια είναι μοναδικά επειδή δεν αποτελούνται από άλλα σωματίδια. Ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, δεν μπορεί να διασπαστεί σε άλλα σωματίδια. Είναι μόνο και καθαρά ηλεκτρόνιο.

Τα θεμελιώδη σωματίδια χωρίζονται σε δύο μεγαλύτερες ομάδες:τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Τα φερμιόνια είναι σωματίδια ύλης και αντιύλης ενώ τα μποζόνια είναι σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη. Κάθε ομάδα έχει μερικές υποομάδες θεμελιωδών σωματιδίων. Οι επιστήμονες κατηγοριοποιούν τα φερμιόνια είτε ως λεπτόνια είτε ως κουάρκ, καθώς και ως αντιλεπτόνια και αντικουάρκ. Τα μποζόνια κατηγοριοποιούνται ως μποζόνια μετρητή ή μποζόνια Higgs.

Και τα 17 μοναδικά θεμελιώδη σωματίδια εμπίπτουν σε μία από αυτές τις ομάδες και υποομάδες. Τα ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, είναι το μέλος με τη χαμηλότερη μάζα της κατηγορίας των λεπτονίων, που είναι ένας τύπος φερμιονίου. Τα σωματίδια μποζονίου και φερμιονίων αποκλίνουν επειδή η συμπεριφορά τους ακολουθεί διαφορετικά σύνολα στατιστικών. Τα σωματίδια μποζονίου έχουν πλήρη ακέραιο σπιν ενώ τα σωματίδια φερμιονίου έχουν μισά ακέραια σπιν. Επιπλέον, τα φερμιόνια περιέχουν ηλεκτρόνια ενώ τα μποζόνια είναι αφόρτιστα, ουδέτερα σωματίδια.

Quasiparticles:Ούτε εδώ, ούτε εκεί

Οι επιστήμονες μερικές φορές συγκεντρώνουν οιονεί σωματίδια μαζί με ένα παρόμοιο είδος φαινομένου γνωστό ως συλλογική διέγερση. Η βασική διαφορά μεταξύ των δύο σχετίζεται με θεμελιώδη σωματίδια. Γενικά, τα οιονεί σωματίδια είναι φαινόμενα που συμβαίνουν με τα φερμιόνια. Η συλλογική διέγερση είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται με τα μποζόνια.

Τα οιονεί σωματίδια δεν είναι κανονικά θεμελιώδη σωματίδια, αλλά δεν είναι ούτε ανεξάρτητες δομές. Συχνά έχουν τα περισσότερα από τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά ενός θεμελιώδους σωματιδίου αλλά με απροσδόκητες διαφορές. Ένα οιονεί ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, έχει κανονικό φορτίο και σπιν, αλλά η μάζα του δεν ταιριάζει με την τυπική μάζα ενός ηλεκτρονίου.

Ενώ υπάρχουν πολλές θεωρίες για τα οιονεί σωματίδια, παραμένουν εμφανώς δύσκολο να παρατηρηθούν. Δεν μπορούν να συμβούν ανεξάρτητα στο κενό, μόνο σε μεγαλύτερα συστήματα, όπως τα στερεά. Επιπλέον, τα φαινόμενα οιονεί σωματιδίων σχηματίζονται και εξαφανίζονται μέσα σε 1 ατοδευτερόλεπτο, που είναι 1 x 10 του δευτερολέπτου.

Μόλις το 2016 οι επιστήμονες παρατήρησαν τελικά τον σχηματισμό ενός πραγματικού οιονείσωματιδίου. Μια διεθνής ομάδα θεωρητικών φυσικών προσομοίωσε τον σχηματισμό ενός polaron επιβραδύνοντας τη διαδικασία σχηματισμού χρησιμοποιώντας ένα υπερψυχρό κβαντικό αέριο. Το 2021, οι επιστήμονες δημιούργησαν πολαρόνια Bose και μελέτησαν τις αλληλεπιδράσεις τους με τα στερεά χρησιμοποιώντας παρόμοια μέθοδο.

Τύποι οιονεί σωματιδίων

Ο όρος «οιονεί σωματίδιο» ακούγεται μυστηριώδης, αλλά στην πραγματικότητα σημαίνει απλώς «φαινομενικά ένα σωματίδιο». Αυτά είναι καθημερινά θεμελιώδη σωματίδια που παρουσιάζουν εξαιρετική συμπεριφορά. Οι επιστήμονες έχουν θεωρήσει πολλά μοναδικά οιονεί σωματίδια όλα αυτά τα χρόνια. Εδώ είναι μερικές από τις πιο ενδιαφέρουσες πιθανότητες που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι στιγμής.

Majoranas

Το οιονείσωματίδιο majorana είναι ταυτόχρονα οπή και ηλεκτρόνιο. Σε αντίθεση με το παρόμοιο εξιτόνιο, στο οποίο μια τρύπα και ένα ηλεκτρόνιο περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, σε μια ματζοράνα τα δύο υπάρχουν στον ίδιο χώρο. Αυτή η «τρύπα» είναι στην πραγματικότητα η απουσία ηλεκτρονίου εκεί που θα έπρεπε να είναι κανείς. Είναι ταυτόχρονα σωματίδιο και αντισωματίδιο. Όταν η τρύπα του μισού και του μισού ηλεκτρονίου συνυπάρχουν έτσι, το σωματίδιο ουσιαστικά δεν έχει ενέργεια και φορτίο.

Αυτό θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά χρήσιμο στον κβαντικό υπολογισμό. Θεωρητικά, τα χαρακτηριστικά του ημισωματιδίου majorana θα του επέτρεπαν να υπάρχει σε έναν τύπο υπεραγωγού όπου δεν μπορούν να πάνε άλλα σωματίδια. Οι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι μπορούν να «πλέξουν» την τρύπα και το ηλεκτρόνιο της ματζοράνας το ένα γύρω από το άλλο για να δημιουργήσουν κβαντικό κώδικα, όπως τα 1 και 0 των παραδοσιακών υπολογιστών.

Η έρευνα για τα οιονεί σωματίδια majorana βρίσκεται σε εξέλιξη, με τη Microsoft μεταξύ των πιο αξιοσημείωτων επενδυτών. Ωστόσο, κανείς δεν έχει ανακαλύψει ακόμα αληθινά σωματίδια majorana.

Οποιοσδήποτε

Ένας άλλος βασικός παράγοντας στην κούρσα για τους κβαντικούς υπολογιστές είναι το οιονεί σωματίδιο. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτά τα συναρπαστικά αντικείμενα είναι δισδιάστατες δομές, που δεν έχουν βρεθεί ποτέ πριν. Μοναδικά ακόμη και μεταξύ οιονεί σωματιδίων, τα οποιονδήποτε δεν είναι ούτε μποζόνια ούτε φερμιόνια. Λόγω των κλασματικών στατιστικών, κανένας δεν συμπεριφέρεται όπως τα θεμελιώδη σωματίδια σε καμία από τις κύριες ομάδες. Είναι αυτή η ασυνήθιστη συμπεριφορά 2D που καθιστά οποιονδήποτε υποψήφιο για κβαντική υπολογιστική ισχύ.

Το 2020, μια ομάδα φυσικών βρήκε αυτό που πιστεύουν ότι είναι η πρώτη σκληρή απόδειξη της ύπαρξης αυτών των οιονεί σωματιδίων. Οι φυσικοί θεωρούν ότι όταν δύο άτομα αλλάζουν θέσεις μεταξύ τους, η κβαντική τους κατάσταση θα αντανακλά μια «μνήμη» αυτής της αλλαγής. Αυτό υποτίθεται ότι είναι απόδειξη των κλασματικών στατιστικών που υποδεικνύουν ένα οποιοδήποτε.

Η κβαντική μνήμη που δημιουργείται από δύο οποιονδήποτε που περιφέρεται το ένα γύρω από το άλλο θα μπορούσε να είναι ένα πιθανό θεμέλιο για τους κβαντικούς υπολογιστές. Οι περιστροφές anyon θα λειτουργούσαν ως «κώδικας» παρόμοιος με τον τρόπο με τον οποίο τα οιονεί σωματίδια Majorana χρησιμοποιούν πλεγμένες οπές και ηλεκτρόνια στη θέση του 1 και του 0. Αυτό είναι γνωστό ως τοπολογικός κβαντικός υπολογισμός. Ωστόσο, παραμένει θεωρητικό από το 2022.

Polaritons

Δεν σχετίζονται όλα τα οιονεί σωματίδια με τον κβαντικό υπολογισμό. Το polariton είναι ένα καταπληκτικό οιονείσωματίδιο που ξεκλειδώνει τα μυστικά του σύμπαντος και συγκεκριμένα τις μαύρες τρύπες. Αυτά τα οιονεί σωματίδια είναι ένας συνδυασμός φωτός και ύλης που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ενός φωτονίου και ενός εξιτονίου.

Αυτό δημιουργεί ένα «υγρό φως» που συμπεριφέρεται σαν μια μαύρη τρύπα. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτή τη συμπεριφορά για να δοκιμάσουν θεωρίες σχετικά με το πώς λειτουργούν οι μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να μελετηθούν από τη φύση τους, αλλά οι πολαρίτονες το καθιστούν δυνατό.

Ο αντίκτυπος των οιονεί σωματιδίων

Τα οιονεί σωματίδια είναι πολύ περισσότερα από περίεργη θεωρητική φυσική. Έχουν σημαντικές επιπτώσεις στον πραγματικό κόσμο, ειδικά στον κβαντικό υπολογισμό. Πιστεύεται ότι είναι το μέλλον των υπολογιστών, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν δραματικά τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Ο κβαντικός υπολογισμός κάνει υπολογισμούς αναλύοντας την πιθανότητα της κατάστασης ενός υποατομικού αντικειμένου πριν μετρηθεί πραγματικά αυτή η κατάσταση.

Αυτό είναι δυνατό μόνο όταν τα υποατομικά αντικείμενα βρίσκονται σε «υπέρθεση». Όταν βρίσκεται σε υπέρθεση, ένα φυσικό σύστημα, όπως το κβαντικό σπιν ή ο προσανατολισμός, βρίσκεται σε πολλές διευθετήσεις ταυτόχρονα. Με την υπέρθεση, τα qubits, τα υπολογιστικά bit ενός κβαντικού υπολογιστή, μπορούν να αντιπροσωπεύουν διαφορετικά πράγματα ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να αναλύσουν πολλές δυνατότητες ταυτόχρονα. Συγκριτικά, οι παραδοσιακοί υπολογιστές πρέπει να αναλύουν τις δυνατότητες μία κάθε φορά.

Υπάρχουν αρκετές κύριες θεωρίες για πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών, όπως η τοπολογική θεωρία που αναφέρθηκε παραπάνω. Μέχρι στιγμής, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν αντιμετωπίσει πολλές προκλήσεις που τους καθιστούν δύσκολο να ανταγωνιστούν πραγματικά τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Η ίδια η υποδομή της τεχνολογίας δεν είναι προς το παρόν βιώσιμη για ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Με τη βοήθεια οιονεί σωματιδίων, αυτό θα μπορούσε να αλλάξει μια μέρα.

The Mysteries of Quantum Physics

Η κβαντική φυσική θεωρείται από καιρό ως η πιο μυστηριώδης γωνιά της φυσικής. Εξερευνά αντικείμενα πολύ μικρά για να δει ότι με κάποιο τρόπο συνθέτουν το ύφασμα ολόκληρου του σύμπαντος. Αυτά τα μπερδεμένα υποατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται με τρόπους που δεν θα έπρεπε να είναι δυνατοί, κάνοντας το κβαντικό βασίλειο ακόμα πιο μπερδεμένο.

Ενώ τα οιονεί σωματίδια παραμένουν εξαιρετικά θεωρητικά, οι επιστήμονες έχουν κάνει μεγάλα βήματα τα τελευταία χρόνια για να ανακαλύψουν και να κατανοήσουν τι ακριβώς είναι. Η εύρεση της απάντησης θα μπορούσε να μετατρέψει τα οιονεί σωματίδια στα κλειδιά για τον κβαντικό υπολογισμό και τα μυστήρια του ίδιου του σύμπαντος.