Kwantowa sztuczka implikująca wieczną stabilność. Teraz się rozpada. | Magazyn Quanta

Prawdą wynikającą zarówno z fizyki, jak i codziennego doświadczenia jest to, że wszystko się rozpada. Lód topnieje. Budynki walą się. Każdy obiekt, jeśli poczekasz wystarczająco długo, miesza się ze sobą i otoczeniem nie do poznania.

Jednak począwszy od 2005 roku seria przełomów sprawiła, że ​​ten marsz śmierci wydawał się opcjonalny. W odpowiednim ustawieniu kwantowym każdy układ elektronów lub atomów pozostanie niezmienny na całą wieczność – nawet nierówny układ pulsujący aktywnością. Odkrycie stało w sprzeczności z obiegowym przekonaniem, że zjawiska kwantowe są obiektami delikatnymi i można je zaobserwować jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach. Wybiło także dziurę w podstawach termodynamiki, czcigodnej gałęzi fizyki, która wyjaśnia zjawiska takie jak ciepło i entropia jako nieuniknione konsekwencje wzajemnego oddziaływania ogromnych rojów cząstek.

Wyniki były szokiem dla fizyków Normana Yao, ówczesny absolwent, a obecnie profesor na Uniwersytecie Harvarda. „Święte piekło” – przypomniał sobie, myśląc, używając mocniejszego słowa niż piekło. „Jeśli jest to prawdą w oddziałującym układzie wielu cząstek, wówczas mechanika statystyczna zawodzi. Termodynamika zawodzi.”

Rozprzestrzeniła się koncepcja radykalnie nowej stabilności kwantowej. Zainspirowało teoretyków do wyczarowania menażerii nowych faz materii kwantowej, takich jak kryształy czasu – systemy, które podtrzymują powtarzające się zachowanie w nieskończoność bez pochłaniania energii. A inżynierowie kwantowi walczący z płochliwością kubitów przy budowie komputerów kwantowych ośmielili się na tę wskazówkę, że ich walka jest do wygrania.

„W komputerze kwantowym musisz mieć pamięć warunków początkowych; w przeciwnym razie nie będziesz mógł nic zrobić” – powiedział Yao.

Nagromadzenie dowodów osiągnęło szczyt w 2014 r., kiedy to przedstawiono rygorystyczny matematyczny dowód na to, że wzorce kwantowe mogą rzeczywiście trwać wiecznie.

Jednak w ostatnich latach obietnica wiecznie stabilnych struktur kwantowych sama zaczęła się chwiać. Jak wykazały przełomowe eksperymenty, takie wzorce mogą rzeczywiście trwać eony. Jednak toczy się debata na temat tego, czy te eony rzeczywiście mogą rozciągać się na wieczność, jak wierzyło wielu fizyków. W trakcie analizowania podstawowej natury losu kwantowego zaangażowani fizycy odkryli nieznane wcześniej zjawiska kwantowe, które zagrażają stabilności wielkich hord cząstek.

„Myślałeś, że rozumiesz [ten pomysł] naprawdę dobrze, a teraz tak nie jest” – powiedział Wedika Khemani, fizyk z Uniwersytetu Stanforda. „To świetna zabawa. Znów jest zagadka do rozwiązania.

Smak wieczności

Wczesne sugestie dotyczące wieczności kwantowej zostały odkryte przez Phila Andersona, fizyka, który stał się legendą w swojej dziedzinie. W latach pięćdziesiątych Anderson pracował w Bell Labs, badając najnowocześniejszą wówczas fizykę – zachowanie elektronów w półprzewodnikach. Próbując zrozumieć pewne zagadkowe wyniki eksperymentów, zaczął myśleć o bardziej abstrakcyjnym problemie.

Czy możliwe było, zastanawiał się Anderson, uwięzienie w miejscu pojedynczej cząstki kwantowej?

Łatwo jest złapać w pułapkę klasyczny obiekt, taki jak kula bilardowa. Wystarczy otoczyć go barierkami, niczym poręcze stołu bilardowego. Jednak cząstki kwantowe mogą podróżować z całkowitym lekceważeniem barier, „tunelując” przez nie. Problem w tym, że nie mogą podróżować daleko. Tunelowanie staje się trudne – to znaczy wykładniczo mało prawdopodobne – im dalej cząstka próbuje się dostać. Anderson zastanawiał się, w jakim otoczeniu może przebywać artysta zajmujący się kwantową ucieczką.

Odkrył, że tajemnica polega na umieszczeniu cząstki w „nieuporządkowanym” krajobrazie kwantowym, usianym szczytami i dolinami. Każda lokalizacja miałaby losową wysokość, reprezentującą losową energię. W prawdziwym materiale zaburzenie to może wynikać z zanieczyszczeń, takich jak brakujące atomy lub atomy różnych pierwiastków.

Anderson podsumował, że przy wystarczającym nieporządku cząstka nigdy nie przebije się daleko. Aby tunelować, cząstka musi znaleźć miejsce o podobnej energii (lub na podobnej wysokości) jak to, w którym rozpoczyna. A większy nieład powoduje, że takich miejsc jest coraz mniej. Patrząc głębiej w krajobraz, cząstka może być w stanie zlokalizować potencjalne miejsca w przyzwoitym klipie. Szybkość ta może być dość duża w „wyższych” wymiarach, takich jak płaszczyzny 2D i cegły 3D, gdzie cząstka ma więcej dostępnych opcji. Jednak wykładnicza trudność w dotarciu do tych lokalizacji zawsze będzie rosła jeszcze szybciej, co sprawi, że drążenie tuneli będzie mało prawdopodobne.

Anderson argumentował, że tunelowanie nie wystarczy papier 1958. Nieuporządkowany krajobraz dowolnego wymiaru „zlokalizuje” cząstkę. Dzieło w zasadzie pozostawało nieprzeczytane przez lata, chociaż ostatecznie pomogło mu zabezpieczyć część majątku 1977 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki.

Chociaż rozważania Andersona były inspirowane elektronami w półprzewodniku, jego kadrowanie pokazuje, że myślał bardziej abstrakcyjnie. Anomalią, która go motywowała, był tajemniczy opór elektronów wobec procesu zwanego termalizacją. Starał się głębiej zrozumieć, kiedy system ulega termalizacji, a kiedy nie. Nie był pierwszym fizykiem, który badał to zjawisko, ale pytania, które postawił w swojej pracy, poruszyły wyobraźnię późniejszego pokolenia fizyków.

„Wyprzedziło swoje czasy o 50 lat” – stwierdził Dawid Huse, fizyk z Uniwersytetu Princeton.

W języku potocznym termalizacja to naturalna tendencja do mieszania się systemów. Nowa talia kart szybko traci swój pierwotny porządek. Zamek z piasku zamienia się w mokrą bryłę piasku. W termodynamice tendencja ta jest prostą konsekwencją statystyki. Istnieje tylko kilka sposobów uporządkowania i ogromna liczba sposobów pomieszania, więc początkowo zamówiony system z dużym prawdopodobieństwem będzie pomieszany.

Kluczową cechą termalizacji jest to, że wszelkie początkowe wzorce zostają zniszczone przez mieszanie. Na przykład każdy początkowy gorący punkt lub koncentracja energii rozprzestrzenia się, aż dalsze rozprzestrzenianie się nie będzie możliwe. W tym momencie system staje się stabilny i przestaje się zauważalnie zmieniać – fizycy nazywają ten scenariusz równowagą termiczną.

Z perspektywy czasu fizycy widzą, że praca Andersona zawierała w sobie zalążki buntu przeciwko termalizacji. Pokazał, że nieuporządkowany krajobraz może uwięzić jedną cząstkę. Kluczowym pytaniem było: czy mógłby zlokalizować wiele cząstek? Jeśli cząstki utkną w miejscu, energia nie będzie się rozprzestrzeniać, a system nigdy nie ulegnie termalizacji. W przeciwieństwie do termalizacji, lokalizacja reprezentowałaby zupełnie nowy rodzaj stabilności, nieoczekiwany sposób na zachowanie kwantowych wzorców energii na zawsze.

„Wiedza, czy termalizacja jest czymś powszechnym, co będzie miało miejsce w układzie zamkniętym, czy też może się całkowicie załamać” – powiedział Maissama Barkeshliego, fizyk z Uniwersytetu Maryland, „jest jednym z najbardziej podstawowych pytań w fizyce”.

Odpowiedź na to pytanie wymagałaby jednak rozwiązania problemu, dla którego nagrodzona Nagrodą Nobla praca Andersona wydawała się rozgrzewką. Podstawową kwestią jest to, że grupy cząstek mogą na siebie oddziaływać w kolosalnie złożony sposób. Wyjaśnienie tych interakcji okazało się tak skomplikowane, że między artykułem Andersona z 50 r. a pierwszymi poważnymi próbami zrozumienia lokalizacji w układach wielocząstkowych, które fizycy nazywają lokalizacją wielu ciał, upłynęło prawie 1958 lat.

Niewiarygodna odpowiedź, która pojawiła się pół wieku później, brzmiała: termalizacja nie zawsze jest nieunikniona. Wbrew termalizacji lokalizacja wielu ciał wydawała się możliwa.

„To łamie prawa termodynamiki” – stwierdził Wojciecha De Roecka, fizyk na KU Leuven w Belgii. „Oznacza to, że chaos nie zawsze zwycięża.”

Powstanie lokalizacji wielu ciał

Przebojowa kontynuacja twórczości Andersona miała miejsce w 2005 roku Denis Basko, Igora Aleinera i Borys Altszuler, fizycy z uniwersytetami Princeton i Columbia, opublikowali przełomowy artykuł, dzięki któremu badacze w tej dziedzinie natychmiast rozpoznają ich inicjały. W ramach projektu BAA zbadano, czy zanieczyszczenia atomowe w metalu mogą lokalizować elektrony, zatrzymując je w pobliżu atomów i przekształcając materiał przewodzący w izolator.

In stron 88 gęstej matematyki składającej się ze 173 ponumerowanych równań i 24 cyfr (bez dodatków), BAA wykazało, że niechlujny materiał rzeczywiście może zatrzymać grupy elektronów na ich torach, podobnie jak Anderson pokazał, że może zatrzymać jedną cząstkę. Ich praca skutecznie zapoczątkowała badania nad lokalizacją wielu ciał (MBL).

„To był naprawdę tour de force” – powiedział Khemani. „Pokazali, że MBL jest stabilny we wszystkich wymiarach”. Praca była również nieprzenikniona. Naukowcy w to wierzyli, ale nie rozumieli tego na tyle dobrze, aby na tym bazować. „Nikt poza nimi tak naprawdę nie potrafiłby wykonać obliczeń BAA” – powiedział Jeda Pixleya, fizyk materii skondensowanej na Uniwersytecie Rutgers.

Jednak odkrycie BAA wywołało poruszenie w kampusie Princeton. Basko powiedział o tym swojemu przyjacielowi Wadimowi Oganesjanowi, który omówił to ze swoim doradcą Davidem Huse. Obaj przeprowadzali już symulacje komputerowe, które umożliwiły im bardziej bezpośrednie przetestowanie pomysłów BAA w bardziej abstrakcyjnym kontekście termalizacji.

W swoich symulacjach Huse i Oganesyan utworzyli łańcuchy cząstek kwantowych, które mogą być skierowane w górę lub w dół i mogą odwracać sąsiadów. Kiedy dodawali coraz więcej nieporządku, zgodnie z receptą na lokalizację, dostrzegli oznaki, że łańcuchy cząstek przechodziły ze scenariusza termalizującego (w którym, powiedzmy, szybko obracająca się cząstka rozprzestrzeniałaby swoją energię i zaczęła odwracać sąsiadów) do niemal scenariusz zlokalizowany (w którym cząstka zachowa swoją energię). Przejście od termalizacji do lokalizacji na pewnym poziomie nieuporządkowania wyglądało raczej jak przejścia między fazami materii, np. między cieczą a lodem, które zachodzą w określonej temperaturze.

Czy MBL można zakwalifikować jako swego rodzaju fazę? Fazy ​​mają w fizyce szczególny status. Mają też specjalną definicję. Co najważniejsze, faza materii musi być stabilna przez nieskończenie długi okres czasu i dla nieskończenie dużego układu. Jeśli rzeczywiście nastąpiło przejście pomiędzy termalizacją a lokalizacją i gdyby lokalizacja występowała w nieskończoność w przypadku systemów nieskończonych, być może te dwa typy stabilności można by uznać za odrębne fazy.

Oganesyan i Huse nie potrafili symulować nieskończenie długich łańcuchów przez nieskończenie długi czas (mogli zrobić około tuzina cząstek), więc nie byli zaskoczeni, że dostrzegli niedoskonałe oznaki lokalizacji. Ale w miarę wydłużania łańcuchów przejście do lokalizacji stało się ostrzejsze. Ich pierwsza praca, opublikowane w 2006 roku, zasugerował intrygującą możliwość, że w przypadku nieskończenie długich łańcuchów z wystarczającym zaburzeniem może istnieć faza lokalizacji.

Co być może ważniejsze, ich symulacje były łatwe do zrozumienia. „David dokonał obliczeń, aby każdy mógł to zrobić” – powiedział Pixley.

Późniejsze badania numeryczne potwierdziły pogląd, że nierówny krajobraz może lokalizować energię, a fizycy zaczęli rozważać konsekwencje. Potopy energii, często w postaci ciepła, niszczą delikatne fazy materii kwantowej. Jeśli jednak wystarczająco postrzępione szczyty mogłyby powstrzymać rozprzestrzenianie się energii, struktury kwantowe mogłyby przetrwać praktycznie w każdej temperaturze. „Można uzyskać zjawiska, które tak naprawdę kojarzymy i które rozumiemy tylko w temperaturze zerowej” – powiedział Anushya Chandran, fizyk na Uniwersytecie Bostońskim, który studiował MBL jako absolwent Princeton.

Jedną z głośnych struktur kwantowych, która wyrosła z MBL, była wzór w czasie. Odwróć jeden koniec łańcucha cząstek z określoną szybkością, a cały łańcuch będzie mógł przełączać się między dwiema konfiguracjami, nie absorbując żadnej energii powstałej podczas odwracania. Te "kryształy czasu” były egzotyczną, nierównowagową fazą materii, co było możliwe tylko dlatego, że wystarczająco nieuporządkowany krajobraz uniemożliwiał osiągnięcie równowagi termicznej jakiemukolwiek możliwemu układowi cząstek.

„Po prostu nie ma analogii” – powiedział Khemani, który mniej więcej w tym czasie przyjechał do Princeton i odegrał pionierską rolę w zrozumieniu i tworzeniu kryształów czasu. „To całkowita zmiana paradygmatu”.

Ostatni element teoretycznej układanki trafił na swoje miejsce w 2014 roku, kiedy Johna Imbriego, fizyk matematyczny z Uniwersytetu Wirginii, pokazał, że gdyby można było połączyć nieskończenie długi łańcuch cząstek z wystarczającym nieuporządkowaniem, dowolna konfiguracja pozostanie zlokalizowana. Pomimo zdolności cząstek do interakcji z sąsiadami, indywidualnie nadal będą robić swoje, na zawsze.

Rygorystyczny dowód matematyczny, jaki jest rzadkością w fizyce, był wynikiem pięciu lat wysiłków. To wszystko gwarantowało możliwość lokalizacji, umacniając jej status jako fazy. „Kiedy przedstawiasz argument matematyczny, musisz rozważyć każdą możliwość” – powiedział Imbrie. „To część piękna”.

Mniej więcej w tym samym czasie fizycy posiadający laboratoria specjalizujące się w manipulowaniu zimnymi atomami potwierdzili, że rzeczywiste cząstki zachowują się w podobny sposób, jak cząstki cyfrowe. Skromna liczba atomów oddzielonych górami światła rozprzestrzenia się w tempie lodowcowym, zarówno gdy ułożone w linie 1D i kiedy ułożone w siatki 2D.

Dzięki przewadze dowodów eksperymentalnych, matematycznych i numerycznych wydawało się, że przeznaczeniem MBL jest wejście do panteonu przejść fazowych obok magnetyzmu i nadprzewodnictwa. Fizycy spodziewali się, że szeroka gama różnych układów w różnych wymiarach może rażąco zignorować ich przypuszczalny termodynamiczny los.

W 2022 roku Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne przyznało firmie Altshuler, Huse i Aleiner prestiżowy tytuł Nagroda Larsa Onsagera, nazwany na cześć fizyka matematycznego, który udowodnił, że a model kreskówki uchwycił przejście fazowe, gdy materiał został namagnesowany.

Jednak jeszcze przed rozdaniem nagród idea nieskończenie trwałych konstrukcji zaczęła się rozpadać.

Początek wahań

Pierwsze drżenie nastąpiło około półtora roku po dowodzie Imbrie.

Przypomnijmy, że uważa się, że przejście od termalizacji do lokalizacji przebiega podobnie jak przejścia między znanymi fazami materii. Na przykład, gdy metal magnesuje, pewne właściwości zmieniają się w określonym tempie, co opisano za pomocą skrupulatnie obliczonych równań. Poszczególne wartości w tych równaniach mają określone wykładniki, takie jak 2 cale x².

Aby uzyskać prawdziwe przejście fazowe w jednym wymiarze, matematycy udowodnili, że dwa z tych wykładników muszą być większe niż 2. Jednak symulacje MBL wykazały, że wynoszą one 1, co stanowi poważną różnicę zdań. W wciąż niepublikowany przeddruk opublikowane w 2015 r. Oganesyan i Chandran wraz z Christopherem Laumannem z Uniwersytetu Bostońskiego wykazali, że niedopasowanie nie było jedynie trywialnym efektem ubocznym badania krótkich łańcuchów, a nie nieskończonych. Coś bardziej fundamentalnego wydawało się nie tak.

„Przyjrzeli się temu dokładnie” – powiedział Huse. „Nie mogliśmy jednak ustalić, co było nie tak”.

W ciągu następnych kilku lat nastąpił szereg większych wstrząsów. Wyobraź sobie rodzaj górzystego krajobrazu, który prowadziłby do MBL. Teraz rozciągnij ten krajobraz do nieskończoności we wszystkich kierunkach. Jeśli losowo odkryjesz wystarczająco dużo, w pewnym momencie natkniesz się na wydłużoną, płaską łatę.

Cząsteczki w płaskiej strefie mogą z łatwością znaleźć stany o podobnej energii, do których mogą tunelować, dzięki czemu mieszają się i termalizują. W takim regionie występuje mnóstwo stanów energetycznych, co zwiększa ryzyko, że cząstka w sąsiednich górach może zetknąć się i ulec termalizacji, argumentował De Roeck z KU Leuven i François Huveneers, który wówczas studiował na Uniwersytecie Paris-Dauphine we Francji. Zatem strefa płaska może służyć jako źródło energii termalizującej.

Ale czy taka mała łatka może zniszczyć cały system? Scenariusz intuicyjnie wydawał się tak prawdopodobny, jak wanna z hydromasażem w Denver powodująca stopienie w Vail, Breckenridge i Telluride. Fizycy nie od razu to zaakceptowali. Kiedy De Roeck i Huveneers poruszali taką możliwość na konferencjach, ich przemówienia wywoływały wybuchy gniewu wśród słuchaczy.

„To była wielka niespodzianka” – powiedział De Roeck. „Wiele osób na początku nam nie wierzyło”.

W serii artykułów rozpoczynających się w 2016, De Roeck, Huveneers i współpracownicy przedstawili swoje argumenty na rzecz procesu znanego obecnie jako lawina. Argumentowali, że w przeciwieństwie do wanny z hydromasażem, to, co zaczyna się jako kropla termalizowanych cząstek, może rzucić się w ocean.

„Mamy kąpiel cieplną, która przyciąga do niej sąsiednie placówki” – powiedziała Imbrie. „Staje się coraz silniejszy i przyciąga coraz więcej witryn. To jest lawina.”

Kluczowym pytaniem było, czy lawina nabierze rozpędu, czy też go straci. Z każdym krokiem kąpiel cieplna rzeczywiście stawała się większym i lepszym zbiornikiem energii. Ale każdy krok utrudniał także termalizację następnej witryny. Przypominając lokalizację pojedynczych cząstek Andersona, debata sprowadziła się do wyścigu pomiędzy dwoma efektami: poprawą kąpieli a trudnościami w dalszym rozwoju.

De Roeck i Huveneers argumentowali, że lawiny wygrają w dwóch i trzech wymiarach, ponieważ niesamowicie szybko gromadzą stany energetyczne – w tempie odpowiadającym ich szybko rosnącej powierzchni (w 2D) lub objętości (w 3D). Większość fizyków zaakceptowała fakt, że lawin w tych krajobrazach nie da się zatrzymać, co czyni MBL odległą perspektywą w arkuszach lub cegłach.

Jednak możliwość MBL w jednowymiarowych łańcuchach przetrwała, ponieważ lawina przepływająca przez linię wolniej gromadzi stany energetyczne. W rzeczywistości kąpiel cieplna staje się silniejsza w mniej więcej tym samym tempie, w jakim wzrasta trudność wzrostu. To był krawat. Lawiny mogą trwać w 1D lub mogą się zatrzymać.

W międzyczasie inni fizycy nabrali sceptycyzmu co do możliwości istnienia MBL nawet w łańcuchu 1D. W 2019 roku zespół słoweńskich ekspertów ds. chaosu m.in Tomaž Prosen ponownie przeanalizował stare dane liczbowe i podkreślił fakt, że w miarę jak krajobraz stawał się bardziej górzysty, termalizacja ogromnie zwalniała ale nigdy całkowicie nie przestał — niewygodną prawdę, którą badacze z MBL uznali za artefakt swoich symulacji na małą skalę. Anatolij Połkownikow Uniwersytetu Bostońskiego i Wysusza Selsa, obecnie z New York University i Flatiron Institute, doszli do tego między innymi badacze podobne wnioski. Ich argumenty bezpośrednio kwestionowały główny urok MBL: obietnicę życia wiecznego dla kwantowego zamku z piasku.

„Na poziomie teoretyków mówiących o MBL” – powiedział Chandran – „istnieje uczciwy wobec Boga reżim, w którym [czas termalizacji] to nie tylko wiek wszechświata i nie możemy tego zobaczyć. Nie, to jest naprawdę nieskończone.”

Wywiązała się ożywiona debata, zarówno w literaturze akademickiej, jak i w dyskusjach prywatnych. W czasach pandemii Sels i Huse spędzali wiele godzin na Zoomie. Czasami rozmawiali obok siebie, ale każdy z nich przypisuje sobie produktywne spostrzeżenia. Tajniki tej kontrowersji mają charakter niezwykle techniczny i nawet zaangażowani w nią badacze nie są w stanie w pełni wyrazić wszystkich perspektyw. Ale ostatecznie różnice między nimi sprowadzają się do tego, że każdy z obozów dokonuje innego, wykształconego – niezwykle wykształconego – przypuszczenia, co by się stało, gdyby można było patrzeć, jak łańcuch cząstek obraca się w nieskończoność.

Obie strony nadal nie zgadzają się co do tego, czy w jednym wymiarze istnieje prawdziwa faza MBL, ale konkretnym skutkiem tego konfliktu jest to, że skłonił on badaczy do zbadania wpływu, jaki lawiny mogą mieć na przypuszczalny początek MBL.

Grupy sceptyczne „miały kilka bardzo dobrych punktów, ale posunęły się trochę za daleko” – stwierdził Huse. „To naprawdę nas zmotywowało”.

Huse, współpracując z zespołem weteranów MBL, w tym Khemani, opracował sposób symulowania wpływu lawiny na krótkie łańcuchy bez faktycznego jej wywoływania. (Nikt nie widział lawiny, nawet liczbowo, ponieważ aby uzyskać wystarczająco dużą płaską plamę, potrzebny byłby łańcuch składający się z miliardów cząstek, szacuje Sels, a badacze zazwyczaj badają łańcuchy liczące około 12). Następnie Sels opracował własną próbę lawiny w górę.

Obie grupy doszły do ​​siebie podobny wnioski w 2021 r.: Przejście MBL, jeśli miało miejsce, wymagało znacznie bardziej górzystego krajobrazu, niż sądzili badacze. Przy poziomie wytrzymałości, który wcześniej sądzono, że powoduje MBL, termalizacja spowolni, ale się nie zatrzyma. Aby kwantowe bałwany miały szansę na walkę z lawinami, krajobraz musiałby być bardziej nieuporządkowany, niż podejrzewali Huse i spółka. Grupa Huse'a początkowo ustaliła, że ​​góry musiałyby być co najmniej dwukrotnie bardziej nierówne. Praca Selsa zwiększyła tę liczbę co najmniej sześciokrotnie, sprawiając, że góry bardziej przypominały Himalaje niż Góry Skaliste. MBL może nadal występować w tak ekstremalnych warunkach, ale teoria zbudowana wokół mniej trudnego przejścia rzeczywiście stwarzała problemy.

„W pewnym sensie zaakceptowaliśmy to zbyt dokładnie i nie przyjrzeliśmy się jego subtelnościom” – powiedział Huse.

W pracach z 2021 roku badacze przepisali i rozszerzyli diagram fazowy MBL dla łańcuchów 1D. Na równinach przypominających Kansas cząstki szybko się termizują. W Górach Skalistych badacze przeklasyfikowali „fazę” MBL na „reżim przedtermiczny”. Jest to pozornie stabilny reżim odkryty przez BAA, symulacje Princeton i eksperymenty atomowe. Ale teraz badacze doszli do wniosku, że jeśli czekać niezwykle długo – w niektórych konfiguracjach dosłownie miliardy lat – cząstki oddzielone Górami Skalistymi w rzeczywistości zmieszałyby się i termalizowały.

Za Górami Skalistymi leżą Himalaje. To, co się tam stanie, pozostaje kwestią otwartą. Sels i Prosen są przekonani, że energia się rozprzestrzeni i w końcu nastąpi termalizacja, nawet jeśli zajmie to eony. Huse i firma nadal wierzą, że na rynku pojawia się prawdziwy MBL.

Najważniejszym z powodów wiary w MBL jest dowód z 2014 roku. Spośród niegdyś licznych filarów dowodów potwierdzających istnienie prawdziwego MBL, dowód Imbrie jest ostatnim. Po karierze związanej z opracowywaniem narzędzi matematycznych dostosowanych do potrzeb właśnie tego typu problemów, nadal się tego trzyma.

„W matematyce nie jest niczym niezwykłym, że w dowodzie pojawia się błąd” – powiedział – „ale myślę, że wiem, co robię”.

Dowód dzieli jednak fizyków, ponieważ fizycy go nie rozumieją. Nie jest to spowodowane brakiem prób. Pewnego razu Laumann namówił Imbriego, aby w ciągu tygodnia we Włoszech przekazał dowód jemu i garstce badaczy, ale nie mogli oni szczegółowo zapoznać się z kolejnymi krokami. Nie jest to jednak całkowicie zaskakujące, ponieważ fizycy zazwyczaj posługują się matematyką w szybszy i luźniejszy sposób niż matematycy. Argument Imbrie nie zależy od żadnego konkretnego poziomu nierówności krajobrazu, więc ostatnie zmiany w diagramie fazowym MBL w żaden sposób go nie podważają. Aby ustalić, czy MBL naprawdę istnieje, badacze będą musieli przysiąść i albo znaleźć problem w dowodzie, albo zweryfikować każdą linijkę.

Takie wysiłki są w toku. Sels i współpracownicy twierdzą, że finalizują argument, który zaprzeczy argumentowi Imbrie. Tymczasem De Roeck i Huveneers, matematycy, którzy odkryli zagrożenie lawinami, od dwóch lat próbują przepisać dowód Imbrie w bardziej przystępnej formie. De Roeck twierdzi, że wszystkie najważniejsze elementy zostały już ułożone i jak na razie logika wygląda solidnie.

„MBL, wierzę, że istnieje” – powiedział De Roeck. Ale „uprawiamy tutaj matematykę, więc każdy drobny problem może wykoleić całość”.

Poza kwantowymi aniołami

We wszechświecie, w którym żyjemy, który sam ulegnie termalizacji za jakąś niezrozumiałą liczbę lat, trwałość jest zawsze czymś w rodzaju iluzji. Manhattan tonie pod własnym ciężarem o godz 1.6 centymetra na dekadę. Kontynenty połączą się za około 250 milionów lat. I póki jest mit że dna średniowiecznych witraży nieznacznie pogrubiły się na przestrzeni wieków, fizycy rzeczywiście uważają, że szkło płynie w nieznanej skali czasowej, prawdopodobnie przez wiele miliardów lat lub dłużej.

Jeśli MBL okaże się niestabilny, system zlokalizowany na wielu ciałach będzie co najmniej tak samo trwały, jak każdy z tych przykładów. Podobnie będzie ze zjawiskami kwantowymi zależnymi od stanów MBL. Na przykład kryształy czasu mogą utracić swoje podręcznikowe określenie „faz materii”, ale nadal będą w stanie tykać znacznie, znacznie dłużej niż komputery kwantowe, które je symulują (lub ludzie obsługujący komputery, na przykład). to ma znaczenie). Wielu naukowców naprawdę troszczy się o matematyczną możliwość pokonania termalizacji jako pięknej, akademickiej kwestii, jaką jest. Ale obecnie większość nie śpi z tego powodu.

„Może zawsze były to anioły tańczące na główce szpilki” – powiedział Chandran.

Zamiast tego Chandran i inni rozkoszowali się szansą odkrycia nowego zjawiska powodującego termalizację, które fizycy mogliby faktycznie obserwować w małych układach.

W 2018 roku ona i jej współpracownik Philip Crowley postanowili zrozumieć, dlaczego małe łańcuchy wydają się powoli termalizować, mimo że są o wiele za małe, aby mogły pojawić się płaskie plamy. Duet ustalił, że grupy cząstek czasami miały szczęście i pożyczały energię od sąsiedniej grupy w dokładnie takiej ilości, jakiej potrzebowały, aby przejść do nowej konfiguracji. Nazwali te zbiegi okoliczności „rezonansami” i zaobserwowali, jak mają tendencję do rozprzestrzeniania się z grupy na grupę, co prowadzi do długotrwałej termalizacji w systemach zbyt małych dla lawin. W 2020 r. wykazali, że rezonanse mogą wyjaśniać niedopasowanie wykładników z 2015 r. i wiele podejrzanych cech które pokazały się w eksperymentach numerycznych, spostrzeżenia, które pomogły Huse i firmie zaktualizować diagram fazowy dla krótkich łańcuchów w 2021 roku.

Obecnie fizycy uważają, że rezonanse destabilizują skromne łańcuchy z zaburzeniami na poziomie Gór Skalistych, podczas gdy lawiny destabilizują dłuższe łańcuchy przy wyższych poziomach zaburzeń.

W miarę jak Chandran i inni udoskonalają swoje symulacje i eksperymenty oraz badają dłuższe, bardziej wytrzymałe łańcuchy, zastanawiają się, co jeszcze może czaić się w Himalajach i poza nimi.

„Wygląda na to, że dzieje się tam inna fizyka” – powiedział Huse. „To byłoby dla mnie najmilsze. Lubię znajdować nowe rzeczy.”

Nota wydawcy: Kilku badaczy pojawiających się w tym artykule otrzymało fundusze od Fundacji Simonsa, która finansuje także to niezależne redakcyjnie czasopismo. Decyzje dotyczące finansowania Fundacji Simonsa nie mają wpływu na nasz zasięg. Więcej szczegółów dostępnych tutaj.