Szkło Bosego

Wykorzystując jedne z najpotężniejszych superkomputerów, naukowcy z University of Illinois dokonali symulacji, aby pomóc w wyjaśnieniu jednego z najbardziej beznadziejnych problemów fizyki.

Jedną z największych tajemnic fizyki jest problem interakcji wielu cząstek kwantowych - nie rozumiemy, co się dzieje, gdy cząstki kwantowe spotykają się i współdziałają ze sobą. Problem ten obejmuje zarówno kwestie energii jądrowej w gwiazdach neutronowych, jak i takie jak transport elektronów w fotosyntezie oraz kwarków i gluonów wewnątrz protonu.

Eksperyment polega na schłodzeniu atomów gazu do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, w celu symulowania doświadczalnie modeli materiałów, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

W tych doświadczeniach, atomy odgrywają rolę elektronów w materiale, a zaburzenia są w pełni kontrolowane i znane i mogą być zmieniane w 90-sekundowym cyklu eksperymentalnym.

Szkło Bosego jest dziwnym i trudnym do zrozumienia izolatorem, który może wystąpić, gdy do nadprzewodnika dodawane jest zaburzenie.

Symulacje komputerowe są w stanie obrazować stosunkowo dużą liczbę cząstek, na przykład 30.000 cząstek węgla, i pokazać coś zaskakującego – ta sama wielkość zaburzenia przekształca powtarzalnie nadprzewodnik w szkłoBosego.

Wynik ten jest niezwykle ważne dla zrozumienia nieuporządkowanych materiałów kwantowych, które są wszechobecne, ponieważ zaburzenie jest trudne do uniknięcia.

Jak powstał wszechświat

Jak powstał Wszechświat? A co było przed Wielkim Wybuchem? Kosmolodzy zadają te pytania odkąd odkryli, że Wszechświat się rozszerza. Odpowiedzi nie są łatwe. Początek kosmosu jest zamaskowany i ukryty przed wzrokiem naszych najpotężniejszych teleskopów. Jednak pewne obserwacje mogą dać wskazówki co do pochodzenia wszechświata.

Najbardziej powszechnie akceptowany scenariusz teoretyczny jest następujący: na początku wszechświata była inflacja: w pierwszym ułamku sekundy wszechświat rozszerzał się w postępie geometrycznym. Jednak istnieje kilka alternatywnych scenariuszy; przykładowo taki, że przed Wielkim Wybuchem nastąpiło Wielkie Chrupnięcie.

Jednym z obiecujących źródeł informacji o początku wszechświata jest promieniowanie reliktowe (CMB) - resztka blasku po WielkimWybuchu, które przenika całą przestrzeń. Na początku ten blask jest gładki i jednolity, ale po bliższym przyjrzeniu się zmienia się w niewielkim stopniu. Zmiany te pochodzą z fluktuacji kwantowych obecnych przy narodzinach wszechświata, które zostały rozciągnięte, kiedy wszechświat się rozszerzał.

Konwencjonalne podejście do odróżnienia różnych scenariuszy opiera się na ewentualnych śladach fal grawitacyjnych, generowanych w pierwotnym wszechświecie, w CMB. "Tu proponujemy nowe podejście, które pozwoliłyby nam bezpośrednio ujawnić historię ewolucyjną pierwotnego wszechświata z sygnałów astrofizycznych. Ta historia jest unikalna dla każdego scenariusza", mówi  Xingang Chen z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA) oraz University of Texas w Dallas.

O ile wcześniejsze badania eksperymentalne i teoretyczne dawały wskazówki co do zmian przestrzennych w pierwotnym wszechświecie, brakuje im kluczowego elementu: czasu. Bez tykającego zegara do pomiaru upływu czasu, ewolucyjna historia pierwotnego wszechświata nie może być ustalona w sposób jednoznaczny.

Nowe badania wskazują, że istnieje taki "zegar", i może być używany do pomiaru upływu czasu po narodzinach wszechświata. Zegary te przyjmują postać ciężkich cząstek, które stanowią podstawę do "teorii wszystkiego", która zjednoczy mechanikę kwantową i ogólną teorię względności. Są one nazwane "pierwotnymi standardowymi zegarami".

Subatomowe ciężkie cząstki będą zachowywać się jak wahadło, oscylujące w tę i z powrotem w standardowy sposób. Mogą nawet robić to w sposób kwantowo-mechaniczny bez popychania na początku.

"Tykania tych pierwotnych standardowych zegarów stworzyłoby odpowiedniki wahań dla mikrofalowego tła kosmicznego, którego wzór jest unikalny dla każdego scenariusza",  mówi współautor Yi Wang Hong Kong University of Science and Technology. Jednakże obecne dane nie są wystarczająco dokładne, by dostrzec takie małe wahania.

Prowadzone eksperymenty powinny znacznie poprawić sytuację. Projekty takie jak BICEP3, Keck Array CFA i wiele innych  eksperymentów na całym świecie, zbierają dokładne dane dotyczące CMB w tym samym czasie – podczas poszukiwania fal grawitacyjnych. Jeżeli wahania w pierwotnych standardowych zegarach są wystarczająco silne, eksperymenty powinny znaleźć je w następnym dziesięcioleciu.

Pierwotne standardowe zegary byłyby składnikiem "teorii wszystkiego" i dostarczyłyby dowodów na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym i na skalę energii niedostępnych dla zderzaczy na ziemi.