یه عصر خلوت وسط دوران کرونا، ژییوان وانگ که اونموقع دانشجوی دکترا تو دانشگاه رایس بود، روی یه مسئله ریاضی خفن و عجیبغریب کار میکرد تا کمی از بیحوصلگی دربیاد! وسط این ور رفتنا، یه جواب خیلی عجیب پیدا کرد و کم کم به این فکر افتاد که شاید این مسئله ریاضی داره در مورد یه دنیای فیزیکی جدید حرف میزنه. تو این بررسیها، فهمید که انگار داره از نوع جدیدی از ذرهها حرف میزنه، ذرههایی که نه از جنس ماده هستن (مثل الکترون و پروتون) و نه همون ذرههاییان که نیروها رو منتقل میکنن (مثل فوتون یا گراویتون). کلاً یه چیزی جدیده!
وانگ حسابی ذوقزده شد و دوست داشت اون کشف تصادفی رو تبدیل به یه نظریه کامل کنه. ایدهش رو با استاد راهنمای خودش، کِیدن هزرد، درمیون گذاشت. هزرد هم اولش گفته «راستش بعید میدونم واقعاً بشه، ولی اگه جدی فکر میکنی، باید همه وقتت رو بذاری روش!»
خلاصه، تو ژانویه امسال، وانگ (که الان پستداک تو آلمان، موسسه ماکس پلانک اپتیک کوانتومی هست) و هزرد، مقالهشون رو تو مجله Nature منتشر کردن، و ادعا کردن که واقعاً یه دسته سوم از ذرهها میتونه وجود داشته باشه، که بهشون میگن «پاراپارتیکل» (paraparticle) — یعنی یه جور ذره که هیچکدوم از دو نوع قبلی نیست. تازه، این ذرهها شاید باعث ساخت مواد عجیبی بشن که اصلاً تا حالا ندیدیم!
حالا بیاید یه کم عقبتر بریم. اگه بخوایم خیلی خودمونی بگیم، تو دنیا همه ذرههای بنیادی (fundamental particles یعنی ذرههایی که خودشون از چیزی کوچیکتر درست نشدن، مثل الکترون یا فوتون)، یا فرمیون (fermion) هستن، یا بوزون (boson).
فرمیونها مثل الکترون یا پروتون باعث ساخت ماده میشن. ویژگی خفنشون اینه که وقتی جای دوتا فرمیون رو باهم عوض کنی، یه علامت منفی به حالتشون اضافه میشه و از اون مهمتر: دوتا فرمیون دقیقاً نمیتونن تو یه حالت کوانتومی باشن (مثلاً دوتا الکترون نمیتونن دقیقاً همونو جایی باشن – بهش میگن اصل طرد پائولی). این قانون باعث میشه مادههامون فرو نریزه! چون الکترونها نمیزنن تو سر هم و زور نمیزنن همهشون تو یه نقطه جمع شن.
بوزونها مثل فوتون (ذره نور) برعکسن. هر چندتا بوزون رو میخوای قشنگ میتونی تو یه حالت کوانتومی بچپونی! دقیقاً واسه همینه که میتونیم لیزر بسازیم (چون کلی فوتون یکسان همه باهم یهجا جمع میشن).
تا الان همه فکر میکردن همین دوتا دسته داریم. اما اگه بخوای دقیقتر شم، تو نظریههای کوانتومی گاهی ریاضیات میگه شاید نوع سوم هم باشه. اینجا همون بحث پاراپارتیکلهاست!
پاراپارتیکلها چیه دقیقا؟ خب، تو دنیای کوانتومی، یه سری خصوصیتهای «مخفی» یا همون حالتهای داخلی هم هست که وقتی با هم جابهجا میشن، فقط همونا تغییر میکنه و تو اندازهگیری مستقیم هیچ فرقی نمیبینی؛ ولی رفتارشون فرق میکنه. مثلاً فرضکن دو تا ذره داری، یکی توی دلش رنگ قرمزه، یکی آبی. وقتی جاشون رو عوض میکنی، هر دو تا همزمان رنگهاشون یهجوری عجیب تغییر میکنه – شاید قرمز بشه زرد، آبی بشه سبز! اینا همون خصوصیتهای مخفیه.
اولین تلاشها برای اینکه پاراپارتیکل رو تو ریاضیات جا بدن، مال سال ۱۹۵۰ بود. یه فیزیکدان به اسم هربرت گرین یه مدلهایی داد، اما بعدها مشخص شد فقط ترکیبی از همون بوزون و فرمیونه، نه چیزی جدا. بعدش، تو دهه هفتاد، یه سری دانشمند (دپلچر، هاگ، رابرتس که به DHR معروف شدن) با اثبات یه سری قضیه ادعا کردن اگه یه سری فرضیات برقرار باشه (مثل محلی بودن، یعنی هر چیزی فقط از اطراف خودش تاثیر میگیره، و فضای سهبعدی باشه)، فقط و فقط بوزون و فرمیون میتونه وجود داشته باشه.
البته سال ۱۹۸۰، یه نفر اسمش فرانک ویلچک (برنده نوبل!) تونست ذرههایی به اسم آنیون (anyons) رو پیشبینی کنه – اینا نه بوزونان، نه فرمیون، یه چیز وسطشن، اما فقط تو دنیای دو بعدی میتونن باشن، نه سهبعدی! همین الان همه تو کوانتوم کامپیوتینگ دنبال این آنیونها هستن، ولی وضعیت پاراپارتیکلِ سهبعدی هنوز معمایی بود… تا وقتی که مقاله وانگ و هزرد اومد.
وانگ و هزرد متوجه شدن اون فرضیات DHR شاید یهخرده زیادی محدودکننده بودن و اگه با زاویه متفاوتی نگاه کنی، شاید بشه پاراپارتیکل داشت. تو مدل اونا، هر پاراپارتیکل یه سری خصوصیت مخفی (غیرقابل اندازهگیری مستقیم) بهجز بار و اسپین داره. وقتی دوتا پاراپارتیکل جاشون عوض میشه، همین خصوصیتهای مخفی تغییر میکنه و این میتونه روی رفتار ماده تاثیر بذاره.
یهو مارکوس مولر (فیزیکدان وین)، همزمان با وانگ و هزرد، دوباره سراغ همون تئوری DHR رفته بود، ولی اینبار با یه رویکرد متفاوت. تو کوانتوم یه چیزی داریم به اسم برهمنهی یا superposition، یعنی یه سیستم میتونه چند حالت با هم باشه. اونا گفتن اگه دوتا ذره واقعاً غیرقابل تمایز باشن، مهم نیست تو چه شاخهای از واقعیت (تو برهمنهی)، دوتارو جابجا کنی، نباید به نتایج اندازهگیری فرقی بکنه. نتیجهشون این بود که بازم فقط فرمیون و بوزون از این آزمون رد میشن، نه پاراپارتیکل.
ولی جواب وانگ و هزرد چی بود؟ مدل اونا پاراپارتیکل رو تعریف میکنه جوری که دوتا ذره تو اندازهگیری یه نفر شبیه هم دیده میشن، ولی اگه اطلاعات اندازهگیری دو نفر رو کنار هم بذاری، میتونی بفهمی که جای دوتا پاراپارتیکل عوض شده یا نه! یعنی یه جورایی هنوز میشه از هم تشخیصشون داد (ولی نه تو یه شاخه!). شاید پیچیده بنظره ولی خلاصهش اینه که یه عالمه رفتارهای عجیبو غریب جدید پیش رو داریم.
حالا جذابیش اینه که پاراپارتیکلها ظرفیت اینو دارن تا دنیای جدیدی از حالتهای ماده رو باز کنن! واسه بوزون، بینهایت ذره میتونه تو یه حالت جا شه؛ واسه فرمیون، هیچ دوتا نمیشه باهم تو یه حالت باشن؛ ولی واسه پاراپارتیکلها، مثلاً فقط ۳ تا میتونن تو یه حالت باشن، بعد از اون بقیه باید برن جاهای دیگه. خود مدل مشخص میکنه چندتا جا میشن.
هنوز هیچکس پاراپارتیکل رو واقعاً تو طبیعت ندیده، اما دانشمندای زیادی امیدوارن با ابزارهای جدید، مخصوصاً با استفاده از اتمهای رایبد (Rydberg atoms – اتمهایی که یه الکترونشون خیلی دور از هسته حرکت میکنه و حسابی حساس به میدان الکتریکی هستن. این اتمها تو کوانتوم کامپیوتینگ و شبیهسازی کوانتومی خیلی به درد میخورن)، بشه تو چند سال آینده پاراپارتیکل درست کرد و رفتارشو دید! حتی بریس گادوِی (فیزیکدان پنسیلوانیا) میگه تو آزمایشگاه میشه این مدلها رو با همین اتمها درست کرد و ببینی چطوری پاراپارتیکلها رفتار میکنن.
در نهایت، هنوز این ذرههای عجیب فقط تو دنیای نظری هستن، اما اگه وجود داشته باشن، مدلهای جدیدی از مواد عجیب و فازی که تابحال نمیفهمیدیم رو میتونیم باهاش حل کنیم. حتی خود ویلچک، همون فیزیکدان نوبلی، میگه: «شاید پاراپارتیکلها یه روزی مهم بشن، ولی الان فعلاً از جنس کنجکاوی نظریان.»
خلاصه، ماجرا داره شبیه یه فیلم علمی ـ تخیلی میشه! یه کشف تصادفی، کلی نظریه، کلی شک و تردید، ولی انتهای ماجرا شاید یک انقلاب جدید توی فهم ما از دنیای ذرههای کوانتومی باشه. باید ببینیم آینده چی از آب درمیاد! 😉
منبع: +
