Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые обнаружили кольца Алисы

Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые обнаружили кольца Алисы Физики подтвердили загадочное (до сих пор чисто теоретическое) явление «колец Алисы» — отсылка к сказкам Льюиса Кэрролла. Это открытие, связанное с тем, как распадаются монополи (тип одностороннего магнетизма), может произвести революцию в нашем нынешнем понимании квантовой физики. Подтверждение существования этих колец позволяет по-новому взглянуть на конкретные взаимодействия и предположить еще не изученные свойства квантовой реальности, открывая новые перспективы исследований.

В квантовой физике были обнаружены интригующие петлеобразные структуры в газе при экстремально низкой температуре, открывающие окно в тип одностороннего магнетизма, известный как монополь. Эти кольцеобразные образования, получившие название «кольца Алисы» в честь знаменитых приключений Алисы в Стране чудес Льюиса Кэрролла, были обнаружены в результате международного сотрудничества групп американских и финских исследователей.

Эти кольца, по-видимому, подтверждают существовавшую несколько десятилетий теорию о том, как распадаются монополи. Точнее, они превращаются в кольцеобразный вихрь, в центре которого монополи, проходящие через его центр, инвертируются в противоположные магнитные заряды. Они вполне могут пересмотреть наши представления о магнитных явлениях и о том, как они проявляются в реальности. Работа «Monopole Collaboration» опубликована в журнале Nature Communications.

Неуловимые монополи

В квантовой физике монополи представляют собой интригующую загадку. Если широко известные диполи характеризуются наличием двух противоположных зарядов — положительного и отрицательного, то монополи отличаются сингулярностью заряда. Они имеют только один заряд, определяемый как положительный или отрицательный. Эта сингулярность делает их особенно сложными для получения и изучения.

Несмотря на эти проблемы, исследовательская группа сделала значительный шаг вперед. Используя передовую технику, они манипулировали газом, состоящим из атомов рубидия, охлаждая его до чрезвычайно низкой температуры, близкой к абсолютному нулю. В этих условиях им удалось создать монополь, направив нулевую точку трехмерного магнитного поля в сторону квантового газа.

Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые обнаружили кольца Алисы
a) Топологическая монополия с пустым центром (представленным черной точкой), а вокруг этого центра упорядоченное поле, представленное белыми конусами. Этот монополь создается путем перемещения нулевой точки магнитного поля (соединенные синие стрелки) в центр сфероидальной формы. Для простоты показана только верхняя половина этой фигуры. b, c) Через некоторое время этот монополь превращается в «кольцо Алисы», представленное красным кольцом. Это кольцо окружено ферромагнитной фазой. Показаны два разных вида кольца.

Следует отметить, что первоначально команда доказала существование квантового аналога магнитного монополя в 2014 году и выделила квантовые монополи в 2015 году в сверххолодном состоянии атомов рубидия, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC). Наконец, в 2017 году наблюдался распад.

Странные «кольца Алисы»

Тем не менее эти квантовые монополи эфемерны, они распадаются через несколько миллисекунд после своего создания. Именно в этой нестабильности и формируется кольцо Алисы. В то время как срок жизни монополей быстротечен, кольца Алисы оказываются на удивление живучими. Моделирование показало, что эти кольца могут существовать в течение 84 миллисекунд, что значительно превышает продолжительность жизни монополей: более чем в двадцать раз.

Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые обнаружили кольца Алисы
Детальное моделирование кольца Алисы, выходящего из монополя.

Микко Мёттёнен из Университета Аалто, соавтор исследования, подчеркнул в пресс-релизе: «Впервые нашему сотрудничеству удалось создать кольца Алисы в природе, что является монументальным достижением. Эти наблюдения позволяют предположить, что кольцо Алисы обладает пока еще неизвестными характеристиками, которые потенциально могут содержать секреты о самой природе квантовой реальности«.

Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые обнаружили кольца Алисы
Доказательство наличия кольца Алисы у края конденсата Бора-Эйнштейна.

Являются ли кольца Алисы воротами в новый мир?

На первый взгляд, кольцо Алисы поразительно похоже на монополь, особенно если смотреть на него со стороны. Это сходство может привести к путанице, поскольку эти два объекта, хотя и являются родственными, обладают различными свойствами. Если подойти поближе и заглянуть в самое сердце кольца Алисы, то происходит удивительная трансформация: все, что воспринималось ранее, как бы меняется на противоположное.

Это кольцо действует как призма, открывая альтернативную вселенную. Мёттёнен говорит: «Как будто кольцо — это ворота в мир антиматерии, а не материи», где привычные правила физики перевернуты с ног на голову. Именно здесь напрашивается сравнение с известной сказкой. Согласно этой сказке, Алиса проходит через зеркало и попадает в перевернутый мир, где все противоположно тому, что она знает.

В этом контексте монополь, проходящий через центр этого кольца, претерпевает метаморфозу. Он превращается в свою противоположность, антимонополь, с зарядом, полностью противоположным тому, которым он обладал изначально. Такая трансформация свидетельствует о большой сложности и глубине природы колец Алисы.

Хотя это явление инверсии пока не наблюдалось экспериментально, Мёттёнен заявил, что топологическая структура колец Алисы требует такого поведения. Исследователи с оптимизмом ожидают, что будущие исследования откроют еще более интригующие грани этих колец.


Источник