Kluczowa liczba, która rządzi wszechświatem, rośnie w dziwnym materiale kwantowym.
Stała struktury subtelnej jest około 10 razy większa od normalnej w materiale zwanym kwantowym lodem spinowym, jak obliczyli fizycy. Nowe obliczenia wskazują, że lód o spinach kwantowych może rzucić okiem na fizykę w alternatywnym wszechświecie, w którym stała jest znacznie większa.
Dzięki wpływowi, który przenika fizykę i chemię, stała struktury subtelnej określa siłę oddziaływań między elektrycznie naładowanymi cząstkami. Jego wartość, około 1/137, konsternuje fizyków, ponieważ nie potrafią wyjaśnić, dlaczego ma tę wartość, mimo że jest to konieczne dla złożonej chemii, która jest podstawą życia.
Gdyby stała struktury subtelnej w kosmosie była tak duża jak ta w spinach kwantowych, „układ okresowy miałby tylko 10 pierwiastków”, mówi fizyk teoretyczny Christopher Laumann z Boston University. „I prawdopodobnie trudno byłoby stworzyć ludzi; nie byłoby wystarczającego bogactwa chemii”.
Lody kwantowe to klasa substancji, w których cząstki nie mogą się zgodzić. Materiały składają się z cząstek o spinie, kwantowej wersji momentu pędu, co czyni je magnetycznymi. W normalnym materiale cząstki osiągnęłyby konsensus poniżej pewnej temperatury, z biegunami magnetycznymi ustawionymi albo w tym samym kierunku, albo w naprzemiennych kierunkach. Ale w lodach o spinach kwantowych cząstki są ułożone w taki sposób, że bieguny magnetyczne lub równoważne spiny nie mogą się zgadzać nawet w temperaturze zera absolutnego.
Impas występuje z powodu geometrii materiałów: cząsteczki znajdują się w rogach szeregu piramid, które są połączone w rogach. Konflikty między wieloma zestawami sąsiadów oznaczają, że te cząstki są najbliżej harmonii układają się w taki sposób, że z każdej piramidy dwa obroty są skierowane na zewnątrz, a dwa zwrócone do środka.
Ten niełatwy rozejm może spowodować zakłócenia, które zachowują się jak cząstki w materiale lub quasicząstki. Odwróć spiny cząstek i możesz uzyskać tak zwane spinony, quasicząstki, które mogą poruszać się w materiale i oddziaływać z innymi spinonami w sposób podobny do elektronów i innych naładowanych cząstek znajdujących się na zewnątrz materiału. Materiał odtwarza teorię elektrodynamiki kwantowej, standardowy model fizyki cząstek elementarnych, który pokazuje, jak naładowane elektrycznie cząstki robią swoje. Ale szczegóły, w tym stała struktury subtelnej, niekoniecznie pokrywają się z tymi w szerszym wszechświecie.
Dlatego Laumann i jego koledzy po raz pierwszy postanowili obliczyć stałą struktury subtelnej w kwantowych lodach spinowych. Zespół ustalił liczbę na około 1/10 zamiast 1/137. Co więcej, naukowcy odkryli, że mogą zmienić wartość stałej struktury subtelnej, dostosowując właściwości materiału teoretycznego. To może pomóc naukowcom zbadać skutki zmiany stałej struktury subtelnej — test, który jest poza zasięgiem naszego wszechświata, w którym stała struktury subtelnej jest ustalona.
Niestety, naukowcy nie znaleźli jeszcze materiału, który definitywnie kwalifikuje się jako kwantowy lód spinowy. Jednak jedną z bardzo zbadanych perspektyw jest grupa minerałów zwanych pirochlorami, które mają jony magnetyczne lub elektrycznie naładowane atomy, ułożone w odpowiedniej konfiguracji piramidy. Naukowcy mogą również być w stanie badać materiały za pomocą komputera kwantowego lub innego urządzenia kwantowego zaprojektowanego do symulacji spinów kwantowych.
Jeśli naukowcom uda się stworzyć kwantowy lód spinowy, materiały mogą ujawnić, jak elektrodynamika kwantowa i model standardowy będą działać we wszechświecie o znacznie większej stałej struktury subtelnej. „To byłaby nadzieja”, mówi teoretyk materii skondensowanej Shivaji Sondhi z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który nie był zaangażowany w badania. „To ciekawe móc stworzyć fałszywy model standardowy i zapytać, co by się stało”.
