Trik Kuantum Menyiratkan Stabilitas Abadi. Sekarang Ini Runtuh. | Majalah Kuanta

Adalah kebenaran fisika dan pengalaman sehari-hari bahwa segala sesuatunya berantakan. Es mencair. Bangunan runtuh. Objek apa pun, jika Anda menunggu cukup lama, akan tercampur dengan dirinya sendiri dan lingkungannya hingga tak dapat dikenali lagi.

Namun mulai tahun 2005, serangkaian terobosan membuat gerakan kematian ini tampak opsional. Dalam lingkungan kuantum yang tepat, susunan elektron atau atom apa pun akan tetap ada selama-lamanya — bahkan susunan yang tidak seimbang dan penuh dengan aktivitas. Temuan ini bertentangan dengan anggapan konvensional bahwa fenomena kuantum adalah benda yang rapuh dan hanya dapat diamati pada suhu yang sangat rendah. Hal ini juga melubangi dasar-dasar termodinamika, cabang fisika terkemuka yang menjelaskan fenomena seperti panas dan entropi sebagai konsekuensi tak terelakkan dari interaksi kawanan partikel yang sangat besar.

Hasilnya mengejutkan para fisikawan Norman Yao, seorang mahasiswa pascasarjana yang saat itu menjadi profesor di Universitas Harvard. “Astaga,” kenangnya sambil berpikir, menggunakan kata yang lebih kuat dari neraka. “Jika hal ini benar dalam sistem banyak partikel yang berinteraksi, maka mekanika statistik akan gagal. Termodinamika gagal.”

Gagasan tentang stabilitas kuantum baru yang radikal menyebar. Hal ini mengilhami para ahli teori untuk membayangkan serangkaian fase baru materi kuantum seperti kristal waktu – sistem yang mempertahankan perilaku berulang tanpa batas waktu tanpa menyerap energi. Dan para insinyur kuantum yang berjuang melawan kegelisahan qubit untuk membangun komputer kuantum merasa yakin dengan indikasi bahwa perjuangan mereka dapat dimenangkan.

“Dalam komputer kuantum Anda harus memiliki memori tentang kondisi awal Anda; kalau tidak, kamu tidak bisa berbuat apa-apa,” kata Yao.

Akumulasi bukti mencapai puncaknya pada tahun 2014 dengan bukti matematis yang ketat bahwa pola kuantum memang bisa bertahan selamanya.

Namun, dalam beberapa tahun terakhir, janji akan struktur kuantum yang stabil secara abadi mulai goyah. Pola seperti itu memang bisa bertahan selama ribuan tahun, seperti yang ditemukan dalam eksperimen terobosan. Namun timbul perdebatan mengenai apakah ribuan tahun tersebut benar-benar dapat bertahan hingga keabadian, seperti yang diyakini banyak fisikawan. Dalam rangka membedah sifat dasar nasib kuantum, para fisikawan yang terlibat telah menemukan fenomena kuantum yang sebelumnya tidak diketahui yang mengancam stabilitas sejumlah besar partikel.

“Anda pikir Anda memahami [ide ini] dengan sangat baik, dan sekarang ternyata tidak,” kata Vedika Khemani, seorang fisikawan di Universitas Stanford. “Itu menyenangkan. Ada misteri yang harus dipecahkan lagi.”

Rasa Keabadian

Petunjuk awal tentang keabadian kuantum diambil oleh Phil Anderson, seorang fisikawan yang kemudian menjadi legenda di bidangnya. Pada tahun 1950-an, Anderson berada di Bell Labs mempelajari fisika mutakhir - perilaku elektron di dalam semikonduktor. Saat mencoba memahami beberapa hasil eksperimen yang membingungkan, dia mendapati dirinya memikirkan masalah yang lebih abstrak.

Apakah mungkin, Anderson bertanya-tanya, untuk menjebak satu partikel kuantum di tempatnya?

Sangat mudah untuk menjebak benda klasik, seperti bola bilyar. Kelilingi saja dengan pembatas, seperti rel meja biliar. Namun partikel kuantum dapat bergerak tanpa mempedulikan penghalang dengan cara “menembus” penghalang tersebut. Masalahnya adalah mereka tidak bisa melakukan perjalanan jauh. Penerobosan menjadi sulit - yaitu, tidak mungkin terjadi secara eksponensial - semakin jauh sebuah partikel mencoba bergerak. Anderson bertanya-tanya lingkungan seperti apa yang bisa menampung seniman pelarian kuantum.

Rahasianya, ia temukan, adalah menempelkan partikel tersebut ke dalam lanskap kuantum yang “tidak teratur”, yang dipenuhi puncak dan lembah. Setiap lokasi akan memiliki ketinggian acak, yang mewakili energi acak. Pada material nyata, kelainan ini mungkin berasal dari pengotor seperti atom yang hilang atau atom dari unsur yang berbeda.

Dengan ketidakteraturan yang cukup, Anderson menyimpulkan, sebuah partikel tidak akan pernah bisa menembus jauh. Untuk dapat melakukan terowongan, sebuah partikel perlu menemukan lokasi dengan energi yang sama (atau pada ketinggian yang sama) dengan lokasi awalnya. Dan semakin banyak ketidakteraturan yang membuat lokasi tersebut semakin langka. Dengan melihat lebih jauh ke dalam lanskap, sebuah partikel mungkin dapat mencari kandidat lokasi dengan kecepatan yang layak. Laju ini bisa sangat cepat dalam dimensi “lebih tinggi” seperti bidang 2D dan batu bata 3D, di mana partikel memiliki lebih banyak opsi yang tersedia. Namun kesulitan eksponensial untuk mencapai lokasi-lokasi tersebut akan selalu meningkat lebih cepat, sehingga pembuatan terowongan tidak mungkin dilakukan.

Penerobosan saja tidak cukup, bantah Anderson sebuah kertas 1958. Lanskap yang tidak teratur dalam dimensi apa pun akan “melokalisasi” sebuah partikel. Karya tersebut pada dasarnya tidak dibaca selama bertahun-tahun, meskipun pada akhirnya hal itu membantunya mendapatkan bagian darinya Hadiah Nobel 1977 dalam Fisika.

Meskipun renungan Anderson terinspirasi oleh elektron dalam semikonduktor, kerangkanya mengungkapkan bahwa ia berpikir lebih abstrak. Anomali yang memotivasinya adalah resistensi misterius di antara elektron terhadap proses yang dikenal sebagai termalisasi. Dia berusaha untuk memahami lebih dalam kapan suatu sistem akan atau tidak mengalami termalisasi. Dia bukanlah fisikawan pertama yang mempelajari fenomena ini, namun pertanyaan-pertanyaan yang dia ajukan dalam karyanya akan menangkap imajinasi fisikawan generasi selanjutnya.

“Itu 50 tahun lebih maju dari masanya,” kata David Huse, seorang fisikawan di Universitas Princeton.

Dalam bahasa sehari-hari, termalisasi adalah kecenderungan alami sistem untuk tercampur aduk. Setumpuk kartu baru dengan cepat kehilangan urutan aslinya. Istana pasir berakhir seperti bongkahan pasir basah. Dalam termodinamika, tren ini merupakan konsekuensi langsung dari statistik. Hanya ada sedikit cara untuk diurutkan dan banyak sekali cara untuk tercampur, sehingga sistem yang diurutkan pada awalnya kemungkinan besar akan berakhir tercampur.

Fitur utama dari termalisasi adalah bahwa pola awal apa pun akan terhapus oleh pencampuran. Titik panas awal atau konsentrasi energi, misalnya, akan menyebar hingga tidak ada kemungkinan penyebaran lebih lanjut. Pada titik ini, sistem menjadi stabil dan berhenti berubah secara nyata – sebuah skenario yang oleh fisikawan disebut sebagai kesetimbangan termal.

Jika ditinjau kembali, fisikawan melihat bahwa karya Anderson mengandung benih pemberontakan melawan termalisasi. Dia telah menunjukkan bahwa lanskap yang tidak teratur dapat menjebak satu partikel. Pertanyaan kuncinya adalah: Bisakah ia melokalisasi banyak partikel? Jika partikel terjebak di tempatnya, energi tidak akan menyebar, dan sistem tidak akan mengalami panas. Kebalikan dari termalisasi, lokalisasi akan mewakili jenis stabilitas baru, sebuah cara tak terduga bagi pola energi kuantum untuk bertahan selamanya.

“Mengetahui apakah termalisasi adalah hal universal yang akan terjadi dalam sistem tertutup, atau apakah sistem tersebut dapat rusak total,” kata Maissam Barkeshli, seorang fisikawan di Universitas Maryland, “adalah salah satu pertanyaan paling mendasar dalam fisika.”

Namun, untuk menjawab pertanyaan tersebut, diperlukan pemecahan masalah yang membuat karya Anderson yang memenangkan Hadiah Nobel tampak seperti sebuah pemanasan. Permasalahan mendasarnya adalah kelompok partikel dapat saling mempengaruhi dengan cara yang sangat kompleks. Penghitungan interaksi ini terbukti sangat rumit sehingga hampir 50 tahun berlalu antara makalah Anderson pada tahun 1958 dan upaya serius pertama untuk memahami lokalisasi dalam sistem banyak partikel, yang oleh para fisikawan disebut sebagai lokalisasi banyak benda.

Jawaban luar biasa yang muncul setengah abad kemudian adalah bahwa termalisasi tidak selalu bisa dihindari. Bertentangan dengan termalisasi, lokalisasi banyak benda tampaknya mungkin dilakukan.

“Itu melanggar hukum termodinamika,” katanya Wojciech De Roeck, seorang fisikawan di KU Leuven di Belgia. Artinya, kekacauan tidak selalu menang.

Bangkitnya Lokalisasi Banyak Badan

Sekuel blockbuster dari karya Anderson muncul pada tahun 2005, ketika Denis Basko, Igor Aleiner dan Boris Altshuler, fisikawan yang berafiliasi di universitas Princeton dan Columbia, menerbitkan sebuah makalah penting yang akan membuat inisial mereka langsung dikenali oleh para peneliti di bidangnya. Di dalamnya, BAA mempelajari apakah pengotor atom dalam logam dapat melokalisasi elektron, menjebaknya di dekat atom, dan mengubah bahan penghantar menjadi isolator.

In 88 halaman Dari matematika padat yang terdiri dari 173 persamaan bernomor dan 24 gambar (tidak termasuk lampiran), BAA menunjukkan bahwa material yang berantakan memang dapat menghentikan sekelompok elektron pada jalurnya, seperti yang ditunjukkan Anderson bahwa material tersebut dapat menghentikan satu partikel. Pekerjaan mereka secara efektif meluncurkan studi tentang lokalisasi banyak orang, atau MBL.

“Itu benar-benar sebuah tour de force,” kata Khemani. “Mereka menunjukkan bahwa MBL stabil di semua dimensi.” Pekerjaan itu juga tidak bisa ditembus. Para peneliti memercayainya tetapi tidak memahaminya dengan cukup baik untuk mengembangkannya. “Tidak ada yang benar-benar bisa melakukan perhitungan BAA selain mereka,” katanya Jed Pixley, seorang ahli fisika benda terkondensasi di Universitas Rutgers.

Namun temuan BAA memang menimbulkan dampak di seluruh kampus Princeton. Basko bercerita kepada temannya Vadim Oganesyan, yang mendiskusikannya dengan penasihatnya, David Huse. Keduanya sudah menjalankan simulasi komputer yang memungkinkan mereka menguji ide BAA secara lebih langsung dalam konteks termalisasi yang lebih abstrak.

Dalam simulasi mereka, Huse dan Oganesyan menyusun rantai partikel kuantum yang dapat mengarah ke atas atau ke bawah dan dapat membalik partikel tetangganya. Ketika mereka menambahkan lebih banyak kekacauan, sesuai dengan resep lokalisasi, mereka melihat tanda-tanda bahwa rantai partikel beralih dari skenario termalisasi (di mana, katakanlah, sebuah partikel yang berputar dengan cepat akan menyebarkan energinya dan mulai membalik tetangganya) ke skenario yang hampir sama. skenario terlokalisasi (di mana partikel akan mempertahankan energinya). Transisi dari termalisasi ke lokalisasi pada tingkat ketidakteraturan tertentu tampak seperti transisi antar fase materi, seperti antara cairan dan es, yang terjadi pada suhu tertentu.

Bisakah MBL memenuhi syarat sebagai sebuah fase? Fase mempunyai status khusus dalam fisika. Mereka juga mempunyai definisi khusus. Yang terpenting, suatu fase materi harus stabil untuk jangka waktu yang sangat lama, dan untuk sistem yang sangat besar. Jika memang ada transisi antara termalisasi dan lokalisasi, dan jika lokalisasi terjadi tanpa batas waktu untuk sistem tak terbatas, mungkin kedua jenis stabilitas tersebut dapat dianggap sebagai fase tersendiri.

Oganesyan dan Huse tidak dapat mensimulasikan rantai yang sangat panjang untuk waktu yang sangat lama (mereka dapat membuat sekitar selusin partikel), jadi mereka tidak terkejut bahwa mereka melihat tanda-tanda lokalisasi yang tidak sempurna. Namun seiring bertambahnya panjang rantai mereka, transisi ke lokalisasi menjadi lebih tajam. Karya pertama mereka, diposting pada tahun 2006, memunculkan kemungkinan menarik bahwa untuk rantai yang sangat panjang dengan ketidakteraturan yang cukup, fase lokalisasi mungkin ada.

Mungkin yang lebih penting, simulasi mereka mudah dimengerti. “David membuat perhitungan sehingga siapa pun bisa melakukannya,” kata Pixley.

Studi numerik selanjutnya mendukung gagasan bahwa lanskap yang terjal dapat melokalisasi energi, dan fisikawan mulai mempertimbangkan implikasinya. Banjir energi, seringkali dalam bentuk panas, melenyapkan fase-fase halus materi kuantum. Namun jika puncak yang cukup bergerigi dapat menghentikan penyebaran energi, struktur kuantum mungkin dapat bertahan pada suhu berapa pun. “Anda bisa mendapatkan fenomena yang benar-benar kami kaitkan dan hanya kami pahami pada suhu nol,” katanya Anusya Chandran, seorang fisikawan di Universitas Boston yang mempelajari MBL sebagai mahasiswa pascasarjana Princeton.

Salah satu struktur kuantum terkenal yang tumbuh dari MBL adalah pola waktu. Balikkan salah satu ujung rantai partikel dengan kecepatan tertentu, dan seluruh rantai dapat beralih di antara dua konfigurasi tanpa menyerap energi apa pun dari pembalikan tersebut. Ini "kristal waktu” adalah fase materi yang berada di luar kesetimbangan yang eksotik, yang hanya mungkin terjadi karena lanskap yang tidak teratur menghalangi susunan partikel apa pun untuk mencapai kesetimbangan termal.

“Tidak ada analoginya,” kata Khemani, yang datang ke Princeton pada masa ini dan kemudian memainkan peran perintis dalam memahami dan menciptakan kristal waktu. “Itu adalah perubahan paradigma yang menyeluruh.”

Bagian terakhir dari teka-teki teoretis terjadi pada tahun 2014, ketika John Imbrie, seorang ahli fisika matematika di Universitas Virginia, menunjukkan bahwa jika Anda dapat merangkai rantai partikel yang panjangnya tak terhingga dengan cukup banyak ketidakteraturan, konfigurasi apa pun akan tetap terlokalisasi. Terlepas dari kemampuan partikel untuk berinteraksi dengan tetangganya, mereka secara individu akan terus melakukan hal mereka sendiri selamanya.

Pembuktian matematis yang teliti, yang jarang ditemukan dalam fisika, adalah hasil upaya selama lima tahun. Hal ini menjamin bahwa lokalisasi dapat dilakukan, memperkuat statusnya sebagai sebuah fase. “Saat Anda melakukan argumen matematis, Anda harus mempertimbangkan setiap kemungkinan,” kata Imbrie. “Itu bagian dari keindahan.”

Sekitar waktu yang sama, fisikawan dengan laboratorium yang mengkhususkan diri dalam memanipulasi atom dingin memastikan bahwa partikel nyata berperilaku sama seperti partikel digital. Atom dalam jumlah kecil yang dipisahkan oleh gunungan cahaya menyebar dengan kecepatan glasial, keduanya ketika disusun dalam garis 1D dan kapan disusun dalam grid 2D.

Dengan banyaknya bukti eksperimental, matematis, dan numerik, MBL tampaknya ditakdirkan untuk memasuki jajaran transisi fase bersama magnetisme dan superkonduktivitas. Fisikawan memperkirakan bahwa beragam sistem berbeda dalam dimensi berbeda dapat secara terang-terangan mengabaikan dugaan nasib termodinamika mereka.

Pada tahun 2022, American Physical Society memberikan penghargaan bergengsi kepada Altshuler, Huse dan Aleiner Hadiah Lars Onsager, dinamai menurut fisikawan matematika yang membuktikan bahwa a model kartun menangkap transisi fase saat material menjadi magnet.

Namun bahkan sebelum hadiah diberikan, gagasan tentang struktur yang tahan lama sudah mulai runtuh.

Awal dari Goyangan

Getaran pertama terjadi sekitar satu setengah tahun setelah pembuktian Imbrie.

Ingatlah bahwa transisi dari termalisasi ke lokalisasi diperkirakan terjadi seperti transisi antara fase materi yang sudah dikenal. Ketika logam menjadi magnet, misalnya, sifat-sifat tertentu berubah dengan kecepatan tertentu, yang dijelaskan oleh persamaan yang dihitung dengan cermat. Nilai tertentu dalam persamaan ini mempunyai eksponen tertentu, misalnya 2 in x².

Untuk transisi fase yang sebenarnya dalam satu dimensi, ahli matematika telah membuktikan bahwa dua eksponen ini harus lebih besar dari 2. Namun simulasi MBL menemukan bahwa eksponen tersebut bernilai 1 — sebuah perbedaan pendapat yang besar. Di sebuah pracetak yang masih belum diterbitkan diposting pada tahun 2015, Oganesyan dan Chandran, bersama dengan Christopher Laumann dari Universitas Boston, menunjukkan bahwa ketidakcocokan bukan hanya efek samping sepele dari mempelajari rantai pendek, bukan rantai tak terbatas. Sesuatu yang lebih mendasar sepertinya tidak beres.

“Mereka memeriksanya dengan cermat,” kata Huse. “Tapi kami tidak tahu apa yang salah.”

Serangkaian guncangan yang lebih besar terjadi dalam beberapa tahun berikutnya. Bayangkan lanskap pegunungan seperti apa yang mengarah pada MBL. Sekarang perluas lanskap itu hingga tak terbatas ke segala arah. Jika Anda cukup menjelajahinya secara acak, pada titik tertentu Anda pasti akan menemukan petak datar yang diperpanjang.

Partikel di zona datar dapat dengan mudah menemukan keadaan energi yang mirip dengan terowongan, sehingga mereka berbaur dan mengalami termalisasi. Di wilayah seperti itu, kondisi energi berlimpah, sehingga meningkatkan kemungkinan partikel di pegunungan tetangga dapat melakukan kontak dan menjadi tertermal, kata De Roeck dari KU Leuven dan François Huveneers, yang saat itu kuliah di Universitas Paris-Dauphine di Perancis. Dengan demikian, zona datar dapat berfungsi sebagai sumber energi termalisasi.

Namun bisakah patch sekecil itu menghancurkan keseluruhan sistem? Skenario ini secara intuitif tampak masuk akal seperti bak mandi air panas di Denver yang menyebabkan kehancuran di Vail, Breckenridge, dan Telluride. Fisikawan tidak langsung menerimanya. Ketika De Roeck dan Huveneers mengemukakan kemungkinan tersebut di konferensi, pembicaraan mereka memicu ledakan kemarahan dari penonton.

“Itu adalah kejutan besar,” kata De Roeck. “Banyak orang pada awalnya tidak mempercayai kami.”

Dalam serangkaian makalah yang dimulai pada tahun 2016, De Roeck, Huveneer, dan kolaborator mengemukakan argumen mereka untuk proses yang sekarang dikenal sebagai longsoran salju. Mereka berargumentasi bahwa, tidak seperti bak mandi air panas, apa yang awalnya berupa setetes partikel yang terkena panas bisa menjadi bola salju menjadi lautan.

“Anda memiliki pemandian air panas, dan itu merekrut situs-situs tetangga ke dalam pemandian air panas,” kata Imbrie. “Ini menjadi semakin kuat dan menarik lebih banyak lokasi. Itu adalah longsoran salju.”

Pertanyaan krusialnya adalah apakah longsoran salju akan mendapatkan momentum atau kehilangan momentumnya. Dengan setiap langkah, pemandian panas akan menjadi reservoir energi yang lebih besar dan lebih baik. Namun setiap langkah juga membuat proses thermalisasi pada situs berikutnya menjadi lebih sulit. Mengingatkan pada lokalisasi partikel tunggal Anderson, perdebatan tersebut bermuara pada perlombaan antara dua dampak: perbaikan bak mandi versus kesulitannya untuk berkembang lebih jauh.

De Roeck dan Huveneers berargumentasi bahwa longsoran salju akan unggul dalam dua dan tiga dimensi, karena mereka menimbun keadaan energi dengan sangat cepat — dengan laju yang sebanding dengan luas area yang berkembang pesat (dalam 2D) atau volume (dalam 3D). Sebagian besar fisikawan mulai menerima bahwa longsoran salju di lanskap ini tidak dapat dihentikan, sehingga menjadikan MBL sebagai prospek yang sulit dijangkau dalam bentuk lembaran atau batu bata.

Namun kemungkinan MBL dalam rantai satu dimensi tetap ada, karena longsoran salju yang menyapu suatu garis menghasilkan status energi lebih lambat. Faktanya, pemandian panas tumbuh lebih kuat pada tingkat yang sama dengan meningkatnya kesulitan pertumbuhan. Itu adalah seri. Longsoran mungkin berlanjut dalam 1D, atau mungkin berhenti.

Sementara itu, fisikawan lain semakin skeptis bahwa MBL bisa ada bahkan dalam rantai 1D. Pada tahun 2019, tim ahli kekacauan Slovenia termasuk Tomaz Prosen menganalisis ulang data numerik lama dan menyoroti fakta bahwa seiring dengan semakin banyaknya pegunungan, termalisasi sangat melambat tapi tidak pernah berhenti sepenuhnya — sebuah kebenaran yang tidak menyenangkan yang dianggap oleh para peneliti MBL sebagai artefak dari simulasi skala kecil mereka. Anatoli Polkovnikov dari Universitas Boston dan Sel Kering, sekarang dari Universitas New York dan Institut Flatiron, di antara para peneliti lainnya, menyadari kesimpulan serupa. Argumen mereka secara langsung menantang daya tarik utama MBL: janji kehidupan abadi untuk istana pasir kuantum.

“Pada tingkat ahli teori yang berbicara tentang MBL,” kata Chandran, “ada rezim yang jujur ​​di mana [waktu termalisasi] bukan hanya usia alam semesta, dan kita tidak dapat melihatnya. Tidak, ini benar-benar tak terbatas.”

Terjadi perdebatan sengit, baik dalam literatur akademis maupun dalam diskusi pribadi. Sels dan Huse menghabiskan waktu berjam-jam menggunakan Zoom selama masa pandemi. Mereka kadang-kadang saling ngobrol, tapi masing-masing saling menghargai wawasan yang produktif. Seluk beluk kontroversi ini bersifat sangat teknis, dan bahkan para peneliti yang terlibat pun tidak dapat sepenuhnya mengartikulasikan seluruh perspektif. Namun pada akhirnya, perbedaan-perbedaan tersebut mempengaruhi masing-masing kubu sehingga membuat orang-orang yang berpendidikan berbeda – sangat berpendidikan – menebak apa yang akan Anda lihat jika Anda dapat menyaksikan rantai partikel berputar selamanya.

Kedua belah pihak masih berbeda pendapat mengenai apakah fase MBL yang sebenarnya ada dalam satu dimensi, namun salah satu akibat nyata dari bentrokan tersebut adalah hal tersebut mendorong para peneliti untuk meneliti dampak longsoran salju terhadap dugaan timbulnya MBL.

Kelompok yang skeptis “memiliki beberapa poin yang sangat bagus, namun mereka mengambilnya terlalu jauh,” kata Huse. “Itu benar-benar membuat kami termotivasi.”

Huse, berkolaborasi dengan tim veteran MBL termasuk Khemani, merancang cara untuk mensimulasikan efek longsoran salju pada rantai pendek tanpa benar-benar memicunya. (Belum ada yang pernah melihat longsoran salju, bahkan secara numerik, karena untuk mendapatkan titik datar yang cukup besar, Anda mungkin memerlukan rantai yang panjangnya miliaran partikel, perkiraan Sels, dan para peneliti biasanya mempelajari rantai yang berjumlah sekitar 12.) Sels kemudian mengembangkan tiruan longsorannya sendiri. ke atas.

Kedua kelompok sadar mirip kesimpulan pada tahun 2021: Transisi MBL, jika memang ada, memerlukan lanskap pegunungan yang jauh lebih luas daripada yang diperkirakan para peneliti. Dengan tingkat kekasaran yang sebelumnya dianggap menyebabkan MBL, termalisasi akan melambat, namun tidak berhenti. Untuk memberikan manusia salju kuantum kesempatan melawan longsoran salju, lanskap harus lebih tidak teratur daripada yang diperkirakan Huse dan kawan-kawan. Kelompok Huse pada awalnya menemukan bahwa pegunungan tersebut harus dua kali lebih kasar. Hasil penelitian Sels meningkatkan jumlah tersebut hingga setidaknya enam kali lebih terjal, menjadikan pegunungan tersebut lebih mirip Himalaya daripada Pegunungan Rocky. MBL mungkin masih terjadi dalam situasi ekstrem tersebut, namun teori yang dibangun berdasarkan transisi yang tidak terlalu sulit memang memiliki masalah.

“Kami menerimanya secara menyeluruh, dan kami tidak melihat seluk-beluknya,” kata Huse.

Pada karya tahun 2021, para peneliti menulis ulang dan memperluas diagram fase MBL untuk rantai 1D. Di dataran datar seperti Kansas, partikel mengalami termalisasi dengan cepat. Di Pegunungan Rocky, para peneliti mengklasifikasi ulang “fase” MBL menjadi “rezim pra-termal”. Ini adalah rezim yang tampaknya stabil yang ditemukan oleh BAA, simulasi Princeton, dan eksperimen atom. Namun kini para peneliti telah menyimpulkan bahwa jika seseorang menunggu dalam waktu yang sangat lama – miliaran tahun untuk melakukan beberapa pengaturan – partikel yang dipisahkan oleh Pegunungan Rocky akan bercampur dan menjadi panas.

Di balik Pegunungan Rocky terdapat pegunungan Himalaya. Apa yang terjadi di sana masih menjadi pertanyaan terbuka. Sels dan Prosen yakin bahwa energi akan menyebar dan termalisasi pada akhirnya akan terjadi, meski membutuhkan waktu ribuan tahun. Huse dan kawan-kawan terus percaya bahwa MBL yang asli akan muncul.

Salah satu alasan utama mereka mempercayai MBL adalah bukti tahun 2014. Dari sekian banyak pilar bukti yang mendukung keberadaan MBL yang sebenarnya, bukti Imbrie adalah yang terakhir bertahan. Dan setelah berkarir mengembangkan alat matematika khusus untuk jenis masalah ini, dia tetap berpegang pada hal itu.

“Bukan hal yang aneh dalam matematika jika ada kesalahan dalam pembuktian,” katanya, “tapi saya rasa saya tahu apa yang saya lakukan.”

Namun, buktinya memecah belah fisikawan karena fisikawan tidak memahaminya. Ini bukan karena kurangnya usaha. Laumann pernah meminta Imbrie untuk mengajarkan bukti tersebut kepadanya dan beberapa peneliti selama seminggu di Italia, namun mereka tidak dapat mengikuti langkah-langkahnya secara detail. Namun hal ini tidak terlalu mengejutkan, karena fisikawan biasanya menggunakan matematika dengan cara yang lebih cepat dan lebih longgar dibandingkan matematikawan. Argumen Imbrie tidak bergantung pada tingkat ketangguhan spesifik apa pun dalam lanskap tersebut, sehingga revisi terbaru terhadap diagram fase MBL sama sekali tidak melemahkan argumen tersebut. Untuk menentukan apakah MBL benar-benar ada, peneliti perlu bekerja keras dan menemukan masalah dalam pembuktian atau memverifikasi setiap baris.

Upaya-upaya tersebut sedang dilakukan. Sels dan kolaborator mengatakan mereka sedang menyelesaikan argumen yang akan bertentangan dengan argumen Imbrie. Sementara itu, De Roeck dan Huveneers, ahli matematika yang menemukan ancaman longsoran salju, sedang berupaya selama dua tahun untuk menulis ulang bukti Imbrie dalam bentuk yang lebih mudah diakses. De Roeck mengatakan mereka telah menempatkan semua bagian utama pada tempatnya, dan sejauh ini logikanya terlihat solid.

“MBL, saya yakin itu ada,” kata De Roeck. Tapi “kami sedang mengerjakan matematika di sini, jadi masalah kecil apa pun bisa menggagalkan semuanya.”

Melampaui Malaikat Kuantum

Di alam semesta yang kita tinggali, yang akan menjadi termiskin dalam beberapa tahun, kelanggengan selalu merupakan suatu ilusi. Manhattan tenggelam karena bebannya sendiri 1.6 sentimeter per dekade. Benua-benua akan menyatu dalam waktu sekitar 250 juta tahun. Dan sementara itu sebuah mitos bahwa bagian bawah jendela kaca patri abad pertengahan telah sedikit menebal selama berabad-abad, fisikawan yakin bahwa kaca mengalir dalam jangka waktu yang tidak diketahui, kemungkinan besar miliaran tahun atau lebih.

Jika MBL terbukti tidak stabil, sistem lokal yang melibatkan banyak orang setidaknya akan sama tahan lamanya dengan contoh-contoh berikut. Begitu pula dengan fenomena kuantum yang bergantung pada status MBL. Kristal waktu, misalnya, mungkin tidak lagi disebut “fase materi” di buku teks, namun mereka masih bisa terus berdetak jauh, jauh lebih lama dibandingkan komputer kuantum yang menyimulasikannya (atau manusia yang mengoperasikan komputer, misalnya). hal tersebut). Banyak akademisi yang sangat peduli dengan kemungkinan matematis untuk mengalahkan termalisasi sebagai pertanyaan akademis yang indah. Namun saat ini, sebagian besar tidak kehilangan banyak waktu tidur karenanya.

“Mungkin selalu ada bidadari yang menari di atas kepala peniti,” kata Chandran.

Sebaliknya, Chandran dan rekan-rekannya justru menikmati kesempatan untuk menemukan fenomena penyebab termalisasi baru, yang mungkin benar-benar diamati oleh fisikawan dalam sistem kecil.

Pada tahun 2018 lalu, dia dan kolaboratornya Philip Crowley mulai memahami mengapa rantai kecil tampak mengalami termalisasi secara perlahan meskipun rantai tersebut terlalu kecil untuk memunculkan titik datar. Duo ini menentukan bahwa kelompok partikel kadang-kadang beruntung dan meminjam energi dari kelompok tetangga dalam jumlah yang tepat untuk beralih ke konfigurasi baru. Mereka menjuluki kejadian-kejadian ini sebagai “resonansi” dan mengamati bagaimana kejadian-kejadian tersebut cenderung menyebar dari satu kelompok ke kelompok lain, sehingga menyebabkan terjadinya thermalisasi yang berlarut-larut dalam sistem yang terlalu kecil untuk terjadinya longsoran salju. Pada tahun 2020, mereka menunjukkan bahwa resonansi dapat menjelaskan ketidaksesuaian eksponen tahun 2015 dan banyak fitur mencurigakan yang telah muncul dalam eksperimen numerik, wawasan yang membantu Huse dan perusahaan memperbarui diagram fase untuk rantai pendek pada tahun 2021.

Saat ini, fisikawan percaya bahwa resonansi mengganggu kestabilan rantai sederhana dengan gangguan tingkat Rockies, sementara longsoran salju mengganggu kestabilan rantai yang lebih panjang pada tingkat gangguan yang lebih tinggi.

Saat Chandran dan yang lainnya meningkatkan simulasi dan eksperimen mereka serta menjelajahi rantai yang lebih panjang dan kokoh, mereka bertanya-tanya apa lagi yang mungkin mengintai di Himalaya dan sekitarnya.

“Sepertinya ada fisika lain yang terjadi di sana,” kata Huse. “Itu akan menjadi hal terbaik bagi saya. Saya suka menemukan hal-hal baru.”

Catatan Editor: Beberapa peneliti yang muncul dalam artikel ini telah menerima dana dari Simons Foundation, yang juga mendanai majalah independen editorial ini. Keputusan pendanaan Simons Foundation tidak berpengaruh terhadap liputan kami. Detail lebih lanjut tersedia di sini.