Tenang pandemi sore di tahun 2021, Zhiyuan Wangkemudian seorang mahasiswa pascasarjana di Rice University, mengurangi kebosanannya dengan mengerjakan masalah matematika yang aneh. Setelah menemukan solusi eksotis, dia mulai bertanya -tanya apakah Matematika dapat ditafsirkan secara fisik. Akhirnya, ia menyadari bahwa itu tampaknya menggambarkan jenis partikel baru: yang bukan partikel materi atau partikel yang membawa kekuatan. Tampaknya itu adalah sesuatu yang lain sama sekali.
Wang sangat ingin mengembangkan penemuan yang tidak disengaja menjadi teori penuh dari jenis partikel ketiga ini. Dia membawa ide itu Kaden Hazzardpenasihat akademisnya.
“Saya berkata, saya tidak yakin saya yakin ini bisa benar,” kenang Hazzard, “tetapi jika Anda benar -benar berpikir, Anda harus meluangkan seluruh waktu Anda dalam hal ini dan menjatuhkan semua yang Anda kerjakan.”
Januari ini, Wang, sekarang peneliti postdoctoral di Max Planck Institute of Quantum Optics di Jerman, dan Hazzard diterbitkan hasil mereka yang lebih halus dalam jurnal Alam. Mereka mengatakan bahwa kelas ketiga partikel, yang disebut parapchartikel, memang bisa ada, dan bahwa partikel -partikel ini dapat menghasilkan bahan baru yang aneh.
Saat kertas muncul, Markus Müllerseorang fisikawan di Institute for Quantum Optics dan Informasi Kuantum di Wina, sudah bersaing dengan gagasan parapchartikel karena alasan yang berbeda. Menurut mekanika kuantumobjek atau pengamat dapat berada di beberapa lokasi sekaligus. Müller sedang memikirkan bagaimana Anda bisa, di atas kertas, beralih di antara Perspektif Pengamat Dalam “cabang” yang hidup bersama ini. Dia menyadari bahwa ini datang dengan kendala baru tentang kemungkinan parapchartikel, dan timnya menggambarkan hasil mereka dalam a pracetak Pada bulan Februari itu sekarang sedang ditinjau untuk publikasi di jurnal.
Waktu yang dekat dari kedua makalah itu adalah kebetulan. Tetapi secara bersama -sama, pekerjaan itu membuka kembali kasus misteri fisika yang diyakini dipecahkan beberapa dekade yang lalu. Sebuah pertanyaan dasar adalah sedang dievaluasi kembali: jenis partikel apa yang diizinkan oleh dunia kita?
Dunia tersembunyi
Semua diketahui partikel dasar jatuh ke dalam salah satu dari dua kategori, dan keduanya berperilaku hampir sama lawannya. Ada partikel -partikel yang membentuk materi, yang disebut fermion, dan partikel -partikel yang memberikan kekuatan fundamental, yang disebut boson.
Karakteristik yang menentukan dari fermion adalah bahwa jika Anda mengganti posisi dua fermion, keadaan kuantum mereka mendapatkan tanda minus. Kehadiran tanda minus yang sangat kecil itu memiliki konsekuensi yang sangat besar. Ini berarti bahwa tidak ada dua fermion yang dapat berada di tempat yang sama pada saat yang sama. Saat dikemas bersama, fermion tidak dapat dikompresi melewati titik tertentu. Fitur ini mencegah materi dari runtuh sendiri – itulah sebabnya elektron dalam setiap atom ada di “cangkang.” Tanpa tanda minus ini, kami tidak bisa ada.
Boson tidak memiliki batasan seperti itu. Kelompok boson dengan senang hati semuanya akan melakukan hal yang persis sama. Sejumlah partikel cahaya, misalnya, dapat berada di tempat yang sama. Inilah yang memungkinkan untuk membangun laser, yang memancarkan banyak partikel cahaya yang identik. Kemampuan ini tergantung pada fakta bahwa ketika dua boson bertukar tempat, keadaan kuantum mereka tetap sama.
Tidak jelas bahwa fermion dan boson harus menjadi satu -satunya pilihan.
Itu sebagian karena fitur mendasar dari teori kuantum: untuk menghitung probabilitas mengukur partikel dalam keadaan tertentu, Anda harus mengambil deskripsi matematika dari keadaan tersebut dan melipatgandakannya dengan sendirinya. Prosedur ini dapat menghapus perbedaan. Tanda minus, misalnya, akan hilang. Jika diberi angka 4, a Bahaya! Kontestan tidak akan tahu apakah pertanyaannya adalah “Apa itu 2 kuadrat?” atau “Apa itu negatif 2 kuadrat?” – Kedua kemungkinan secara matematis valid.
Karena fitur inilah fermion, meskipun mendapatkan tanda minus ketika ditukar, semua terlihat sama ketika diukur – tanda minus menghilang ketika status kuantum dikuadratkan. Ketidakberdayaan ini adalah sifat penting dari partikel -partikel elementer; Tidak ada percobaan yang bisa membedakan dua jenis.
Tetapi tanda minus mungkin bukan satu -satunya hal yang menghilang. Secara teori, partikel kuantum juga dapat memiliki keadaan internal tersembunyi, struktur matematika yang tidak terlihat dalam pengukuran langsung, yang juga hilang ketika kuadrat. Kategori partikel ketiga, yang lebih umum, yang dikenal sebagai parapsartikel, dapat muncul dari keadaan internal ini yang berubah dalam berbagai cara sementara partikel bertukar tempat.
Sementara teori kuantum tampaknya mengizinkannya, fisikawan mengalami kesulitan menemukan deskripsi matematika dari sebuah parapharticle yang berfungsi. Pada 1950 -an, fisikawan Herbert Green melakukan beberapa upaya, tetapi inspeksi lebih lanjut mengungkapkan bahwa model parapcharticle ini benar -benar hanyalah kombinasi matematika dari boson dan fermion khas.
Pada tahun 1970 -an, misteri mengapa tidak ada yang bisa menemukan model parapchartikel yang tepat tampaknya diselesaikan. Kumpulan teorema yang disebut teori DHR, setelah fisikawan matematika Sergio Doplicher, Rudolf Haag dan John Roberts, membuktikan bahwa jika asumsi tertentu benar, hanya boson dan fermion yang secara fisik dimungkinkan. Salah satu asumsi adalah “lokalitas,” aturan bahwa objek hanya dapat dipengaruhi oleh hal -hal di sekitarnya. (“Jika saya menyodok meja saya, saya lebih baik tidak mempengaruhi bulan secara instan,” seperti yang dikatakan Hazzard.) Bukti DHR juga berasumsi bahwa ruang (setidaknya) tiga dimensi.
Hasilnya tidak menyarankan usaha baru menjadi parapchartikel selama beberapa dekade, dengan satu pengecualian. Pada awal 1980 -an, fisikawan Frank Wilczek muncul dengan teori partikel memanggil orang Itu tidak dapat digambarkan sebagai boson atau fermion. Untuk berkeliling teorema DHR, siapa pun datang dengan tangkapan besar: mereka hanya bisa ada dalam dua dimensi.
Fisikawan sekarang belajar secara luas untuk potensi mereka dalam komputasi kuantum. Bahkan terbatas pada dua dimensi, mereka dapat memanifestasikan pada permukaan datar suatu bahan, atau dalam array 2D qubit di komputer kuantum.
Tetapi parapchartikel dalam tiga dimensi yang bisa membentuk padatan masih tampak mustahil. Begitulah, sampai sekarang.
Pemandangan yang bergeser
Saat mengembangkan model mereka, Wang dan Hazzard memperhatikan bahwa asumsi di balik teori DHR melampaui kekhawatiran khas lokalitas. “Saya pikir orang terlalu menafsirkan keterbatasan atau kendala apa yang sebenarnya diberlakukan oleh teorema ini,” kata Hazzard. Lagipula parapchartikel, mungkin secara teori mungkin secara teori.
Dalam model mereka, selain sifat biasa dari muatan seperti partikel dan putaran, kelompok parapcharikel berbagi sifat tersembunyi ekstra. Seperti tanda minus yang akan dikuadratkan selama pengukuran, Anda tidak dapat secara langsung mengukur sifat -sifat tersembunyi ini, tetapi mereka mengubah bagaimana partikel berperilaku.
Saat Anda menukar dua parapcharcles, properti tersembunyi ini berubah bersama -sama. Sebagai analogi, bayangkan bahwa sifat -sifat ini adalah warna. Mulailah dengan dua parapcharikel, satu yang merah internal dan yang lainnya biru secara internal. Ketika mereka bertukar tempat, daripada menjaga warna -warna ini, keduanya berubah dengan cara yang sesuai, seperti yang ditentukan oleh matematika dari model tertentu. Mungkin swap membuat mereka hijau dan kuning. Ini dengan cepat berubah menjadi permainan yang kompleks, di mana parapstikel saling mempengaruhi dengan cara yang tidak terlihat saat mereka bergerak.
Sementara itu, Müller juga sibuk memikirkan kembali teorema DHR. “Tidak selalu sangat transparan apa yang mereka maksud, karena dalam kerangka matematika yang sangat rumit,” katanya.
Timnya mengambil pendekatan baru untuk pertanyaan parapsartikel. Para peneliti mempertimbangkan fakta bahwa sistem kuantum dapat ada di berbagai negara sekaligus – apa yang disebut superposisi. Mereka membayangkan beralih di antara perspektif pengamat yang ada di negara -negara superpos ini, yang masing -masing menggambarkan cabang realitas mereka sedikit berbeda. Jika dua partikel benar -benar tidak dapat dibedakan, mereka pikir, maka tidak masalah jika partikel ditukar dalam satu cabang superposisi dan tidak di yang lain.
“Mungkin jika partikel -partikel itu dekat, saya menukarnya, tetapi jika mereka jauh, saya tidak melakukan apa -apa,” kata Müller. “Dan jika mereka berada di superposisi keduanya, maka saya bertukar di satu cabang, dan tidak ada di cabang lainnya.” Apakah pengamat di seluruh cabang memberi label kedua partikel dengan cara yang sama seharusnya tidak ada bedanya.
Definisi yang lebih ketat tentang ketidakberdayaan dalam konteks superposisi ini memaksakan pembatasan baru pada jenis partikel yang dapat ada. Ketika asumsi -asumsi ini berlaku, para peneliti menemukan bahwa parapchartikel tidak mungkin. Agar suatu partikel benar -benar tidak dapat dibedakan dengan pengukuran, karena fisikawan mengharapkan partikel elementer, itu harus berupa boson atau fermion.
Meskipun Wang dan Hazzard menerbitkan makalah mereka terlebih dahulu, seolah -olah mereka melihat kendala Müller datang. Parapchartikel mereka dimungkinkan karena model mereka menolak asumsi awal Müller: partikel -partikel tidak dapat dibedakan dalam arti penuh yang diperlukan dalam konteks superposisi kuantum. Ini datang dengan konsekuensi. Sementara bertukar dua parapcharikel tidak berpengaruh pada pengukuran satu orang, dua pengamat, dengan berbagi data mereka satu sama lain, dapat menentukan apakah parapchartikel telah ditukar. Itu karena bertukar parapchartikel dapat mengubah bagaimana pengukuran dua orang berhubungan satu sama lain. Dalam pengertian ini, mereka bisa membedakan kedua paraptikel itu.
Ini berarti ada potensi untuk keadaan materi baru. Di mana boson dapat mengemas sejumlah partikel yang tak ada habisnya ke dalam keadaan yang sama, dan fermion tidak dapat berbagi keadaan sama sekali, parapchartikel berakhir di suatu tempat di tengah. Mereka dapat mengemas hanya beberapa partikel ke dalam keadaan yang sama, sebelum menjadi ramai dan memaksa orang lain ke negara -negara baru. Tepatnya berapa banyak yang dapat dijejalkan bersama tergantung pada detail parapcharticle – kerangka teori memungkinkan untuk opsi yang tak ada habisnya.
“Saya menemukan makalah mereka benar -benar menarik, dan sama sekali tidak ada kontradiksi dengan apa yang kami lakukan,” kata Müller.
Jalan menuju kenyataan
Jika parapchartikel ada, mereka kemungkinan besar akan menjadi partikel yang muncul, yang disebut quasipartikel, yang muncul sebagai getaran energik dalam bahan kuantum tertentu.
“Kami mungkin mendapatkan model baru dari fase eksotis, yang sulit dipahami sebelumnya, bahwa Anda sekarang dapat menyelesaikan dengan mudah menggunakan parapchartikel,” kata Meng Chengseorang fisikawan di Universitas Yale yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Bryce Gadwayseorang ahli fisika eksperimental di Pennsylvania State University yang kadang -kadang berkolaborasi dengan Hazzard, optimis bahwa parapchartikel akan direalisasikan di lab dalam beberapa tahun ke depan. Eksperimen ini akan menggunakan atom Rydberg, yang merupakan atom berenergi dengan elektron yang berkeliaran sangat jauh dari inti mereka. Pemisahan muatan positif dan negatif ini membuat atom Rydberg sangat sensitif terhadap medan listrik. Anda dapat membangun komputer kuantum dari atom Rydberg yang berinteraksi. Mereka juga kandidat yang sempurna untuk membuat parapchartikel.
“Untuk semacam simulator kuantum Rydberg tertentu, ini adalah semacam apa yang akan mereka lakukan secara alami,” kata Gadway tentang membuat parapchartikel. “Kamu hanya mempersiapkan mereka dan menonton mereka berevolusi.”
Tetapi untuk saat ini, kerajaan partikel ketiga tetap sepenuhnya teoretis.
“Parapchartikel mungkin menjadi penting,” kata Wilczek, itu Hadiah Nobel–Semisisi fisikawan dan penemu orang. “Tapi saat ini mereka pada dasarnya menjadi keingintahuan teoretis.”
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalahpublikasi independen editorial yang didukung oleh Simonsfoundation.
