טריק קוונטי מרמז על יציבות נצחית. עכשיו זה מתפרק. | מגזין קוונטה

זו אמת הן בפיזיקה והן בחוויה היומיומית שדברים מתפרקים. קרח נמס. בניינים מתפוררים. כל חפץ, אם אתה מחכה מספיק זמן, מתערבב עם עצמו ועם סביבתו ללא הכר.

אבל החל מ-2005, סדרה של פריצות דרך גרמה לצעדת המוות הזו להיראות אופציונלית. בדיוק בהגדרה הקוונטית הנכונה, כל סידור של אלקטרונים או אטומים יישאר במקום לנצח נצחים - אפילו סידורים לא אחידים המפעימים בפעילות. הממצא עף מול החוכמה המקובלת לפיה תופעות קוונטיות הן דברים שבירים, שניתן לצפות בהם רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד. זה גם חורר ביסודות התרמודינמיקה, הענף המכובד של הפיזיקה שמסביר תופעות כמו חום ואנטרופיה כהשלכות בלתי נמנעות של משחק הגומלין של נחילי חלקיקים עצומים.

התוצאות הגיעו כהלם לפיזיקאים כמו נורמן יאו, סטודנט לתואר שני בזמנו שכיום פרופסור באוניברסיטת הרווארד. "גיהנום קדוש," הוא נזכר שחשב, והשתמש במילה חזקה יותר מהגיהנום. "אם זה נכון במערכת בעלת אינטראקציה מרובת חלקיקים, מכניקה סטטיסטית נכשלת. התרמודינמיקה נכשלת."

הרעיון של יציבות קוונטית חדשה קיצונית התפשט. זה נתן השראה לתיאורטיקנים להעלות באוב אוסף של שלבים חדשים של חומר קוונטי כמו גבישי זמן - מערכות המקיימות התנהגות חוזרת ללא הגבלת זמן מבלי לספוג אנרגיה. ומהנדסי קוונטים שנאבקו בעצבנותם של קיוביטים לבניית מחשבים קוונטיים התלהבו מהאינדיקציה הזו שהקרב שלהם היה בר ניצחון.

"במחשב קוונטי אתה צריך זיכרון של התנאים ההתחלתיים שלך; אחרת אתה לא יכול לעשות כלום," אמר יאו.

צבירת הראיות הגיעה לשיא ב-2014 עם הוכחה מתמטית קפדנית שתבניות קוונטיות אכן יכולות להימשך לנצח.

אולם בשנים האחרונות, ההבטחה למבנים קוונטיים יציבים לנצח החלה להתנדנד. דפוסים כאלה אכן יכולים להימשך עידנים, כפי שמצאו ניסויים פורצי דרך. אבל מתנהל ויכוח בשאלה האם העידנים האלה באמת יכולים להימשך לנצח, כפי שסברו פיזיקאים רבים. במהלך ניתוח טבעו הבסיסי של הגורל הקוונטי, גילו הפיזיקאים המעורבים תופעות קוונטיות שלא היו ידועות בעבר, המאיימות על יציבותם של המוני חלקיקים גדולים.

"חשבת שהבנת את [הרעיון הזה] ממש טוב, ועכשיו אתה לא," אמר ודיה חמאני, פיזיקאי באוניברסיטת סטנפורד. "זה כיף. יש תעלומה לפתור שוב."

טעם של נצח

רמז מוקדם על הנצח הקוונטי התקבל על ידי פיל אנדרסון, פיזיקאי שיהפוך לאגדה בתחומו. בשנות ה-1950, אנדרסון היה במעבדות בל וחקר את מה שהיה אז פיזיקה מדממת - התנהגות אלקטרונים בתוך מוליכים למחצה. בעודו מנסה להבין כמה תוצאות ניסויות תמוהות, הוא מצא את עצמו חושב על בעיה מופשטת יותר.

האם אפשר, תהה אנדרסון, ללכוד חלקיק קוונטי בודד במקום?

קל ללכוד חפץ קלאסי, כמו כדור ביליארד. פשוט הקיפו אותו במחסומים, כמו מסילות של שולחן ביליארד. אבל חלקיקים קוונטיים יכולים לנוע תוך התעלמות מוחלטת ממחסומים על ידי "מנהור" דרכם. הקאץ' הוא שהם לא יכולים לנסוע רחוק. מנהור הופך קשה - כלומר, לא סביר באופן אקספוננציאלי - ככל שחלקיק מנסה להתקדם. אנדרסון תהה איזו סביבה יכולה להכיל אמן בריחה קוונטית.

הסוד, הוא גילה, היה להדביק את החלקיק בנוף קוונטי "לא מסודר", כזה מנוקד בפסגות ועמקים. לכל מיקום יהיה גובה אקראי, המייצג אנרגיה אקראית. בחומר אמיתי, הפרעה זו עשויה לנבוע מזיהומים כמו אטומים חסרים או אטומים של יסודות שונים.

עם מספיק אי-סדר, סיכם אנדרסון, חלקיק לעולם לא יעבור במנהרה רחוקה. על מנת לבצע מנהרה, חלקיק צריך למצוא מיקום עם אנרגיה דומה (או בגובה דומה) לזה שהוא מתחיל בה. ועוד אי סדר הופך אתרים כאלה למעטים יותר. על ידי התבוננות מעמיקה יותר לתוך הנוף, חלקיק עשוי להיות מסוגל לסייר באתרים מועמדים בקליפ הגון. קצב זה יכול להיות מהיר למדי בממדים "גבוהים יותר" כמו מטוסים דו-ממדיים ולבני תלת-ממד, כאשר לחלקיק יש יותר אפשרויות זמינות עבורו. אבל הקושי האקספוננציאלי להגיע למיקומים האלה תמיד יעלה אפילו מהר יותר, מה שהופך את ביצוע המנהרות להצעה בלתי סבירה.

מנהור לא הספיק, טען אנדרסון נייר 1958. נוף לא מסודר מכל מימד היה "ממקם" חלקיק. העבודה כמעט ולא נקראה במשך שנים, אם כי בסופו של דבר היא תעזור להבטיח לו חלק מהעבודה 1977 בפרס נובל בפיזיקה.

בעוד שההרהורים של אנדרסון נוצרו בהשראת אלקטרונים במוליך למחצה, המסגור שלו מגלה שהוא חשב בצורה מופשטת יותר. האנומליה שהניעה אותו הייתה התנגדות מסתורית בין אלקטרונים לתהליך המכונה תרמליזציה. הוא ביקש להבין יותר לעומק מתי מערכת תעבור או לא תתחמם. הוא לא היה הפיזיקאי הראשון שחקר את התופעה הזו, אבל השאלות שהעלה בעבודתו ילכדו את דמיונם של דור מאוחר יותר של פיזיקאים.

"זה הקדים את זמנו ב-50 שנה", אמר דיוויד הוס, פיזיקאי באוניברסיטת פרינסטון.

בשפה היומיומית, תרמליזציה היא הנטייה הטבעית של מערכות להתערבב. חפיסת קלפים חדשה מאבדת במהירות את הסדר המקורי שלה. טירת חול מתפתלת כגוש חול רטוב. בתרמודינמיקה, מגמה זו היא תוצאה פשוטה של ​​סטטיסטיקה. יש רק כמה דרכים להזמנה ומספר עצום של דרכים לערבב, כך שמערכת שהוזמנה בהתחלה צפויה להיות מעורבת בסופו של דבר.

התכונה המרכזית של התרמליזציה היא שכל הדפוסים הראשוניים נמחקים על ידי הערבוב. כל נקודה חמה ראשונית או ריכוז אנרגיה, למשל, מתפשטים עד שלא תתאפשר התפשטות נוספת. בשלב זה, המערכת הופכת יציבה ומפסיקה להשתנות באופן ניכר - תרחיש שפיזיקאים מתייחסים אליו כשיווי משקל תרמי.

בדיעבד, פיזיקאים רואים שעבודתו של אנדרסון הכילה זרעים של מרד בתרמליזציה. הוא הראה שנוף לא מסודר יכול ללכוד חלקיק אחד. שאלת המפתח הייתה: האם זה יכול לאתר חלקיקים רבים? אם חלקיקים נתקעו במקומם, האנרגיה לא תתפשט, ומערכת לעולם לא תתחמם. כמו ההפך מתרמיזציה, לוקליזציה תייצג סוג חדש לגמרי של יציבות, דרך בלתי צפויה לדפוסי אנרגיה קוונטיים להימשך לנצח.

"לדעת אם תרמליזציה היא הדבר האוניברסלי הזה שיקרה במערכת סגורה, או שהיא יכולה להתקלקל לחלוטין", אמר מייסאם ברקשלי, פיזיקאי מאוניברסיטת מרילנד, "הוא אחת השאלות הבסיסיות ביותר בפיזיקה".

תשובה לשאלה זו, לעומת זאת, ידרוש פתרון בעיה שגרמה לעבודתו זוכת פרס נובל של אנדרסון להיראות כמו חימום. הבעיה הבסיסית היא שקבוצות של חלקיקים יכולות להשפיע זו על זו בדרכים מורכבות ביותר. ההתחשבנות באינטראקציות הללו התבררה כמסובכת עד כדי כך שיחלפו כמעט 50 שנה בין המאמר של אנדרסון מ-1958 לבין הניסיונות הרציניים הראשונים להבין לוקליזציה במערכות מרובות חלקיקים, שהפיזיקאים מכנים לוקליזציה של גוף רב.

התשובה הבלתי ייאמן שתופיע, חצי מאה לאחר מכן, הייתה שתרמיזציה אינה תמיד בלתי נמנעת. בניגוד לתרמליזציה, נראה היה שאפשרי לוקליזציה של גופים רבים.

"זה שובר את חוקי התרמודינמיקה", אמר וויצ'ך דה רואק, פיזיקאי ב-KU Leuven בבלגיה. "זה אומר שכאוס לא תמיד מנצח."

עלייתה של לוקליזציה של גופים רבים

סרט ההמשך שובר הקופות ליצירתו של אנדרסון הגיע ב-2005, אז דניס באסקו, איגור אליינר ו בוריס אלטשולר, פיזיקאים בעלי השתייכות באוניברסיטאות פרינסטון וקולומביה, פרסמו מאמר ציון דרך שיהפוך את ראשי התיבות שלהם לזיהוי מיידי לחוקרים בתחום. בו, BAA חקר האם זיהומים אטומיים במתכת יכולים לאתר אלקטרונים, ללכוד אותם ליד אטומים ולהפוך את החומר המוליך למבודד.

In דפי 88 של מתמטיקה צפופה הכוללת 173 משוואות ממוספרות ו-24 דמויות (לא כולל נספחים), BAA הראה שחומר מבולגן אכן יכול לעצור קבוצות של אלקטרונים במסלוליהם, בדיוק כפי שאנדרסון הראה שהוא יכול לעצור חלקיק אחד. עבודתם השיקה למעשה את המחקר של לוקליזציה של הרבה גופים, או MBL.

"זה באמת היה טור דה כוח", אמר חמני. "הם הראו ש-MBL יציב בכל המימדים." גם העבודה הייתה בלתי חדירה. חוקרים האמינו בזה אבל לא הבינו את זה מספיק טוב כדי לבנות על זה. "אף אחד לא באמת יכול היה לעשות את חישוב ה-BAA מלבדם", אמר ג'ד פיקסלי, פיזיקאי של חומר מעובה באוניברסיטת רוטגרס.

אבל הממצא של BAA אכן שלח אדוות ברחבי הקמפוס של פרינסטון. באסקו סיפר לחברו ואדים אוגאנסיאן, שדן בכך עם יועצו, דיוויד הוס. השניים כבר הריצו הדמיות ממוחשבות שיאפשרו להם לבדוק את הרעיונות של BAA בצורה ישירה יותר בהקשר המופשט יותר של תרמליזציה.

בסימולציות שלהם, הוס ואוגאנסיאן הקימו שרשראות של חלקיקים קוונטיים שיכולים להצביע למעלה או למטה ויכולים להעיף את שכניהם. כשהם הוסיפו עוד ועוד אי סדר, לפי מתכון הלוקליזציה, הם ראו סימנים לכך ששרשרות החלקיקים עוברות מתרחיש תרמלי (שבו, למשל, חלקיק מתהפך במהירות יפזר את האנרגיה שלו ויתחיל להעיף את שכניו) לכמעט תרחיש מקומי (בו החלקיק יחזיק באנרגיה שלו). המעבר מתרמיזציה ללוקליזציה ברמה מסוימת של אי סדר נראה כמו מעברים בין שלבי חומר, כמו בין נוזל לקרח, המתרחשים בטמפרטורה מסוימת.

האם MBL יכול להעפיל כשלב מסוגים? שלבים מחזיקים במעמד מיוחד בפיזיקה. יש להם גם הגדרה מיוחדת. באופן מכריע, שלב של חומר חייב להיות יציב לפרק זמן ארוך לאין שיעור, ולמערכת גדולה לאין שיעור. אם אכן היה מעבר בין תרמליזציה ולוקליזציה, ואם לוקליזציה התרחשה ללא הגבלת זמן עבור מערכות אינסופיות, אולי ניתן היה לחשוב על שני סוגי היציבות כשלבים בפני עצמם.

אוגנסיאן והוס לא יכלו לדמות שרשראות ארוכות אינסופיות במשך אינסוף זמן רב (הם יכלו לעשות בסביבות תריסר חלקיקים), אז הם לא היו מופתעים שראו סימנים לא מושלמים של לוקליזציה. אבל ככל שהם האריכו את השרשראות שלהם, המעבר ללוקליזציה התחדד. העבודה הראשונה שלהם, פורסם בשנת 2006, התגרה באפשרות המסקרנת שלשרשרות ארוכות אינסופיות עם מספיק אי סדר, יכול להתקיים שלב לוקליזציה.

אולי יותר חשוב, הסימולציות שלהם היו קלות להבנה. "דייוויד עשה את החישוב כדי שכל אחד יוכל לעשות את זה," אמר פיקסלי.

מחקרים מספריים שלאחר מכן תמכו ברעיון שנוף מחוספס יכול למקם אנרגיה, ופיזיקאים החלו לשקול את ההשלכות. מבול של אנרגיה, לעתים קרובות בצורה של חום, מחסל שלבים עדינים של חומר קוונטי. אבל אם פסגות משוננים מספיק יוכלו לעצור את התפשטות האנרגיה, מבנים קוונטיים עשויים לשרוד בכל טמפרטורה ביעילות. "אתם מסוגלים להשיג תופעות שאנחנו באמת מקשרים ומבינים רק בטמפרטורה אפסית", אמר אנושיה צ'נדרן, פיזיקאי באוניברסיטת בוסטון שלמד MBL כסטודנט לתואר שני בפרינסטון.

מבנה קוונטי בעל פרופיל גבוה שצמח מתוך MBL היה דפוס בזמן. הפוך קצה אחד של שרשרת של חלקיקים בקצב מסוים, והשרשרת כולה יכולה להתהפך בין שתי תצורות מבלי לספוג שום אנרגיה מההתהפכות. אלה "גבישי זמן"היו שלב אקזוטי מחוץ לשיווי משקל של החומר, שהיה אפשרי רק בגלל שנוף לא מסודר מספיק עצר מכל סידור אפשרי של חלקיקים להגיע לשיווי משקל תרמי.

"פשוט אין אנלוגי", אמר חמני, שהגיע דרך פרינסטון בתקופה זו והמשיך לשחק תפקיד חלוצי בהבנה ויצירת גבישי זמן. "זהו שינוי פרדיגמה מוחלט."

החלק האחרון של הפאזל התיאורטי נפל על מקומו בשנת 2014, כאשר ג'ון אימברי, פיזיקאי מתמטי מאוניברסיטת וירג'יניה, הראה שאם אתה יכול לחבר שרשרת ארוכה לאין שיעור של חלקיקים עם מספיק אי סדר, כל תצורה תישאר מקומית. למרות יכולתם של החלקיקים ליצור אינטראקציה עם שכניהם, הם ימשיכו באופן אישי לעשות את שלהם לנצח.

ההוכחה המתמטית הקפדנית, שכמותה נדירה בפיזיקה, הייתה תוצאה של חמש שנים של מאמץ. כל זה רק הבטיח לוקליזציה אפשרית, ובכך מגבשת את מעמדה כשלב. "כשאתה עושה טיעון מתמטי, אתה צריך לשקול כל אפשרות", אמר אימברי. "זה חלק מהיופי."

בערך באותו זמן, פיזיקאים בעלי מעבדות המתמחות במניפולציה של אטומים קרים אישרו שחלקיקים אמיתיים התנהגו באותה צורה שבה התנהגו חלקיקים דיגיטליים. מספר צנוע של אטומים המופרדים על ידי הרים של אור מתפשטים בקצב קרחוני, גם כאשר מסודר בקווים 1D ומתי ערוכים ברשתות דו מימדיות.

עם ריבוי של עדויות ניסיוניות, מתמטיות ומספריות, נראה ש-MBL נועד להיכנס לפנתיאון של מעברי פאזה לצד מגנטיות ומוליכות-על. פיזיקאים ציפו שמגוון רחב של מערכות שונות בממדים שונים עלולים להתעלם באופן בוטה מגורלן התרמודינמי המשוער.

בשנת 2022, האגודה האמריקנית לפיזיקה העניקה לאלטשולר, הוס ואליינר את הפרס היוקרתי פרס לארס אונסאגר, על שם הפיזיקאי המתמטי שהוכיח כי א דגם מצויר תפס את מעבר הפאזה כשחומר התמגנט.

אבל עוד לפני חלוקת הפרסים, הרעיון של מבנים עמידים עד אין קץ החל להתפרק.

תחילת הנדנוד

הרעד הראשון הגיע כשנה וחצי לאחר ההוכחה של אימברי.

נזכיר כי המעבר מתרמיזציה ללוקליזציה נחשב לרדת כמו מעברים בין שלבים מוכרים של החומר. כאשר מתכת מתמגנטת, למשל, תכונות מסוימות משתנות בקצב מסוים, המתואר על ידי משוואות מחושבות בקפידה. לערכים מסוימים במשוואות אלה יש מעריכים מסוימים, כמו 2 אינץ' x².

למעבר פאזה אמיתי בממד אחד, מתמטיקאים הוכיחו ששניים מהמעריכים הללו חייבים להיות גדולים מ-2. אבל סימולציות MBL מצאו שהם 1 - מחלוקת גדולה. ב עדיין לא פורסם מראש פורסם ב-2015, Oganesyan וצ'נדרן, יחד עם כריסטופר לאומן מאוניברסיטת בוסטון, הראו שחוסר ההתאמה הוא לא רק תופעת לוואי טריוויאלית של לימוד שרשראות קצרות ולא אינסופיות. משהו בסיסי יותר נראה כבוי.

"הם בדקו את זה בזהירות," אמר הוס. "אבל לא הצלחנו להבין מה לא בסדר."

שורה של זעזועים גדולים יותר הגיעו במהלך השנים הבאות. תארו לעצמכם את סוג הנוף ההררי שיוביל ל-MBL. כעת הרחיבו את הנוף הזה עד אינסוף לכל הכיוונים. אם תחקור את זה באקראי, בשלב מסוים אתה צפוי להיתקל בתיקון שטוח מורחב.

חלקיקים באזור שטוח יכולים למצוא בקלות מצבים של אנרגיה דומה למנהרה, כך שהם מתערבבים ומתמזגים. באזור כזה, מצבי אנרגיה נמצאים בשפע, מה שמגדיל את הסיכויים שחלקיק בהרים הסמוכים יכול ליצור מגע ולהפוך לתרמילי בעצמו, טען דה רואק מ-KU Leuven ו פרנסואה הוונרס, שהיה אז באוניברסיטת פריז-דופין בצרפת. לפיכך, האזור השטוח יכול לשמש מקור לאנרגיה תרמית.

אבל האם תיקון זעיר כזה יכול להוריד את כל המערכת? התרחיש נראה אינטואיטיבי סביר בערך כמו ג'קוזי בדנבר שגורם להתמוטטות בוויל, ברקנרידג' ובטלורייד. פיזיקאים לא קיבלו את זה מיד. כאשר De Roeck וה-Huveneers העלו את האפשרות בכנסים, השיחות שלהם עוררו התפרצויות זעם מהקהל.

"זו הייתה הפתעה גדולה", אמר דה רואק. "הרבה אנשים בהתחלה לא האמינו לנו".

בסדרת מאמרים שמתחילה ב 2016, De Roeck, Huveneers ומשתפי הפעולה הציגו את טענותיהם לתהליך הידוע כיום כמפולת. הם טענו שבניגוד לג'קוזי, מה שמתחיל כטיפה של חלקיקים תרמיים יכול כדור שלג לתוך האוקיינוס.

"יש לך אמבט חום, והוא מגייס אתרים שכנים לאמבט החום", אמר אימברי. "זה מתחזק יותר ויותר ומושך יותר ויותר אתרים. זו המפולת".

השאלה המכרעת הייתה האם מפולת שלגים תצבור תאוצה או תאבד אותה. עם כל צעד, אמבט החום אכן יהפוך למאגר אנרגיה גדול וטוב יותר. אבל כל שלב גם הפך את התרמית לאתר הבא לקשה יותר. מזכיר את הלוקליזציה של חלקיקים בודדים של אנדרסון, הוויכוח הסתכם במירוץ בין שתי השפעות: השיפור של האמבטיה מול הקושי שלה לצמוח עוד יותר.

De Roeck וה-Huveneers טענו שמפולות שלגים ינצחו בשני מימדים ותלת מימדים, מכיוון שהן אוגרות מצבי אנרגיה במהירות מדהימה - בקצבים הקשורים לאזור הגדל במהירות שלהן (בדו מימד) או לנפח (בתלת מימד). רוב הפיזיקאים קיבלו את העובדה שמפולות שלגים בנופים אלה בלתי ניתנות לעצירה, מה שהופך את MBL לפוטנציאל מרוחק ביריעות או לבנים.

אבל האפשרות של MBL בשרשרות חד-ממדיות שרדה, מכיוון שמפולת שלגים ששוטפת קו צוברת מצבי אנרגיה לאט יותר. למעשה, אמבט החום מתחזק בערך באותו קצב שבו עולה קשיי הצמיחה. זה היה עניבה. מפולות שלגים עשויות להמשיך ב-1D, או שהן עשויות להיפסק.

פיזיקאים אחרים, בינתיים, הפכו סקפטיים לכך ש-MBL יכול להתקיים אפילו בשרשרת 1D. בשנת 2019, צוות של מומחי כאוס סלובניים כולל טומאז' פרוזן ניתח מחדש נתונים מספריים ישנים והדגיש את העובדה שככל שהנוף נעשה הררי יותר, התרמיות האטה מאוד אך מעולם לא הפסיק לחלוטין - אמת לא נוחה שחקרי MBL תפסו כממצא של סימולציות בקנה מידה קטן שלהם. אנטולי פולקובניקוב מאוניברסיטת בוסטון ו דריס סלס, כעת מאוניברסיטת ניו יורק ומכון פלטירון, בין היתר, הגיעו אליו מסקנות דומות. הטיעונים שלהם ערערו ישירות על הפיתוי המרכזי של MBL: ההבטחה לחיי נצח לטירת חול קוונטית.

"ברמה של תיאורטיקנים שמדברים על MBL," אמר צ'נדרן, "יש משטר ישר לאלוהים שבו [זמן התרמיליזציה] הוא לא רק גיל היקום, ואנחנו לא יכולים לראות את זה. לא, זה באמת אינסופי."

לאחר מכן התנהל ויכוח נמרץ, הן בספרות האקדמית והן בדיונים פרטיים. סלס והוס בילו שעות ב-Zoom במהלך עומק המגיפה. הם דיברו זה על פני זה לפעמים, אבל כל אחד מזכה את השני בתובנות פרודוקטיביות. הפרטים הקטנים של המחלוקת הם טכניים ביותר, ואפילו החוקרים המעורבים לא יכולים לבטא במלואו את כל נקודות המבט. אבל בסופו של דבר, ההבדלים ביניהם מסתכמים בכך שכל מחנה גורם למשכילים אחרים - משכילים במיוחד - לנחש מה הייתם רואים אם הייתם יכולים לצפות בשרשרת של חלקיקים מתהפכת לנצח.

שני הצדדים עדיין חלוקים בדעתם אם קיים שלב MBL אמיתי בממד אחד, אך תוצאה קונקרטית אחת של ההתנגשות היא שהיא דחפה את החוקרים לבחון את ההשפעה שעשויה להיות למפולות שלגים על תחילתה המשוערת של MBL.

לקבוצות הספקניות "היו כמה נקודות טובות מאוד, אבל הן לקחו אותן קצת רחוק מדי", אמר הוס. "זה באמת הניע אותנו".

Huse, בשיתוף פעולה עם צוות של ותיקי MBL כולל Khemani, הכין דרך לדמות את ההשפעה של מפולת שלגים על שרשראות קצרות מבלי להפעיל אחת. (אף אחד לא ראה מפולת שלגים, אפילו מבחינה מספרית, מכיוון שכדי להשיג נקודה שטוחה מספיק גדולה אתה עשוי להזדקק לשרשרת באורך של מיליארדי חלקיקים, מעריך סלס, וחוקרים בדרך כלל חוקרים שרשראות של כ-12). לְמַעלָה.

שתי הקבוצות הגיעו דומה מסקנות בשנת 2021: המעבר של MBL, אם היה קיים, דרש נוף הררי הרבה יותר ממה שחוקרים האמינו. עם רמת הקשיחות שחשבו בעבר להביא ל-MBL, התרמליזציה תאט, אך לא תיפסק. כדי לתת לאנשי שלג קוונטיים סיכוי להילחם במפולות שלגים, הנוף יצטרך להיות מבולגן יותר ממה שחשדו הוס והחברה. הקבוצה של הוס גילתה בתחילה שההרים יצטרכו להיות מחוספסים לפחות פי שניים. עבודתו של סלס העלתה את המספר הזה עד פי XNUMX לפחות, מה שהפך את ההרים יותר להימלאיה מאשר לרוקיז. MBL אולי עדיין מתרחש באותן הגדרות קיצוניות, אבל לתיאוריה שנבנתה סביב המעבר הפחות קשוח אכן היו בעיות.

"קיבלנו את זה ביסודיות מדי, ולא הסתכלנו על הדקויות של זה," אמר הוס.

בעבודות 2021, החוקרים כתבו מחדש והרחיבו את דיאגרמת השלב של MBL עבור שרשראות 1D. באזורים שטוחים דמויי קנזס, חלקיקים מתרמלים במהירות. בהרי הרוקי, החוקרים סיווגו מחדש את "השלב" של MBL כ"משטר טרום-תרמי". זהו המשטר היציב לכאורה שהתגלה על ידי BAA, סימולציות פרינסטון וניסויים אטומיים. אבל כעת הגיעו החוקרים למסקנה שאם ממתינים זמן רב במיוחד - ממש מיליארדי שנים להגדרות מסוימות - חלקיקים המופרדים על ידי הרי הרוקיס למעשה יתערבבו ויתרמו.

מעבר להרי הרוקי שוכנים הרי ההימלאיה. מה קורה שם נותרה שאלה פתוחה. סלס ופרוזן משוכנעים שהאנרגיה תתפשט ותרמיליזציה תתרחש בסופו של דבר, גם אם זה ייקח עידנים. Huse והחברה ממשיכים להאמין ש-MBL מקורי מתחיל.

הסיבות העיקריות שלהם לאמונה ב-MBL היא ההוכחה של 2014. מבין עמודי הראיות הרבים שבעבר התומכים בקיומו של MBL אמיתי, ההוכחה של אימברי היא האחרונה שעומדת. ואחרי קריירה בפיתוח כלים מתמטיים מותאמים בדיוק לסוג זה של בעיה, הוא עומד בזה.

"זה לא נדיר במתמטיקה שיש טעות בהוכחה", אמר, "אבל אני חושב שאני יודע מה אני עושה".

לעומת זאת, ההוכחה מחלקת את הפיזיקאים, כי הפיזיקאים לא מבינים אותה. זה לא מחוסר ניסיון. לאומן השיג פעם את אימברי ללמד אותו ולקומץ חוקרים את ההוכחה במהלך שבוע באיטליה, אבל הם לא יכלו לעקוב אחר השלבים בפירוט. עם זאת, זה לא לגמרי מפתיע, שכן פיזיקאים בדרך כלל משתמשים במתמטיקה בצורה מהירה ומשוחררת יותר ממה שעושים מתמטיקאים. הטיעון של אימברי אינו תלוי בשום רמה ספציפית של קשיחות בנוף, כך שהתיקונים האחרונים בתרשים השלב של MBL אינם מערערים אותו בשום אופן. כדי לקבוע אם MBL באמת קיים, החוקרים יצטרכו להתכופף ולמצוא בעיה בהוכחה או לאמת כל שורה.

מאמצים כאלה נמצאים בעיצומם. סלס ומשתפי פעולה אומרים שהם משלימים טיעון שיסותר את זה של אימברי. בינתיים, דה רואק והווינירס, המתמטיקאים שגילו את איום מפולות השלגים, עברו שנתיים במאמץ לשכתב את ההוכחה של אימברי בצורה נגישה יותר. דה רואק אומר שהם שמו את כל החלקים העיקריים במקום, ועד כה ההיגיון נראה מוצק.

"MBL, אני מאמין שזה קיים," אמר דה רואק. אבל "אנחנו עושים כאן מתמטיקה, אז כל בעיה קטנה יכולה לדרדר את כל העניין."

מעבר למלאכי קוונטים

ביקום שאנו חיים בו, שבעצמו יתחמם בעוד מספר שנים בלתי מובן, קביעות היא תמיד אשליה. מנהטן שוקעת תחת משקלה בשעה 1.6 סנטימטר לעשור. היבשות יתמזגו בעוד כ-250 מיליון שנים. ובעוד זה מיתוס שחלקם התחתון של חלונות ויטראז' מימי הביניים התעבה מעט במשך מאות שנים, פיסיקאים מאמינים שזכוכית זורמת על פני טווח זמן לא ידוע, ככל הנראה מיליארדי שנים רבים או יותר.

אם MBL יתברר כבלתי יציב, מערכת מקומית עם הרבה גופים תהיה עמידה לפחות כמו כל אחת מהדוגמאות הללו. כך יהיו גם התופעות הקוונטיות התלויות במצבי MBL. גבישי זמן, למשל, עלולים לאבד את כינוי ספרי הלימוד שלהם כ"שלבים של חומר", אבל הם עדיין יוכלו להמשיך לתקתק הרבה, הרבה יותר מאשר המחשבים הקוונטיים המדמים אותם (או בני האדם שמפעילים את המחשבים, עבור זה משנה). לאקדמאים רבים אכפת מאוד מהאפשרות המתמטית להביס את התרמיזציה בתור השאלה האקדמית היפה שהיא. אבל בימים אלה, רובם לא מאבדים הרבה שינה בגלל זה.

"אולי זה תמיד היו מלאכים שרקדו על ראש סיכה", אמר צ'נדרן.

במקום זאת, צ'נדרן ואחרים התענגו על ההזדמנות לגלות תופעה חדשה הגורמת לתרמיזציה, כזו שפיזיקאים עשויים לראות במערכות קטנות.

עוד ב-2018, היא ושותפתה פיליפ קראולי יצאו להבין מדוע נראה ששרשרות קטנות מתרמיות לאט למרות שהן קטנות מדי מכדי שנקודות שטוחות יצצו. הצמד קבע כי קבוצות של חלקיקים מתמזגות מדי פעם ושואלות אנרגיה מקבוצה שכנה בכמות המדויקת להן נדרשות כדי לעבור לתצורה חדשה. הם כינו את צירופי המקרים האלה "תהודה" וראו כיצד הם נטו להתפשט מקבוצה לקבוצה, מה שהוביל לתרמיזציה ממושכת במערכות קטנות מדי למפולות שלגים. בשנת 2020, הם הראו כי תהודה יכולה להסביר את חוסר ההתאמה של המעריך של 2015 רבים מהתכונות הדגים שהופיעו בניסויים מספריים, תובנות שעזרו ל-Huse ולחברה לעדכן את דיאגרמת השלבים עבור רשתות קצרות ב-2021.

כיום, פיזיקאים מאמינים כי תהודה מערערת שרשראות צנועות עם הפרעה ברמת הרוקי, בעוד שמפולות שלגים מערערות שרשראות ארוכות יותר ברמות גבוהות יותר של אי סדר.

כאשר צ'נדרן ואחרים משפרים את ההדמיות והניסויים שלהם וחוקרים שרשראות ארוכות ומחוספסות יותר, הם תוהים מה עוד עלול להסתתר בהימלאיה ומחוצה לה.

"נראה שיש שם פיזיקה אחרת", אמר הוס. "זה יהיה הכי נחמד בשבילי. אני אוהב למצוא דברים חדשים".

הערת העורך: כמה חוקרים המופיעים במאמר זה קיבלו מימון מקרן סימונס, המממנת גם מגזין עצמאי זה מבחינה עריכה. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על הסיקור שלנו. פרטים נוספים זמינים כאן.