Czym jest efekt Efimowa? Kwantowy paradoks, który fascynuje naukowców
Efekt Efimowa to jedno z tych zjawisk, które sprawiają, że mechanika kwantowa wydaje się niemal magiczna. Przewidziany teoretycznie w latach 70. przez radzieckiego fizyka Witalija Efimowa, przez długi czas pozostawał jedynie ciekawostką matematyczną. Paradoks polega na tym, iż trzy lub więcej atomów może tworzyć trwałe wiązania, podczas gdy te same siły są zbyt słabe, by połączyć tylko dwa atomy. Co więcej, raz związane cząstki pozostają w tym stanie niezależnie od ilości dostarczonej im energii.
Materia zachowuje się dziwnie w skali kwantowej, a jednym z najdziwniejszych przykładów jest efekt Efimowa. W tym stanie, trzy lub więcej atomów może związać się poprzez siły przyciągania, nawet gdy są wzbudzone do wyższych poziomów energii, podczas gdy te same siły są zbyt słabe, aby utrzymać razem tylko dwa atomy – wyjaśnia Mary Martialay
Czytaj też: Klasyczna statystyka dociera tam, gdzie nie sięgnął Einstein. Reguła Bayesa teraz działa w świecie kwantów
W klasycznym podejściu dodanie kolejnych cząstek do układu powinno utrudniać utrzymanie ich razem. Tymczasem efekt Efimowa pokazuje, że w świecie kwantowym obowiązują zupełnie inne reguły. Pierwsze eksperymentalne potwierdzenie tego zjawiska udało się osiągnąć dopiero w 2004 roku z użyciem atomów cezu. Główną przeszkodą w modelowaniu układu pięciu atomów była niewyobrażalna złożoność matematyczna. Równanie Schrödingera, podstawowe narzędzie mechaniki kwantowej, staje się niezwykle skomplikowane przy większej liczbie oddziałujących cząstek. Greene przyznaje, że prace nad tym problemem rozpoczął już w 2009 roku, kiedy udało mu się opisać efekt dla czterech atomów. Dopiero teraz, dzięki postępowi w mocy obliczeniowej i głębszemu zrozumieniu matematyki, możliwe stało się rozszerzenie modelu.
Nowe narzędzia dla starych problemów
Kluczem do sukcesu okazało się połączenie trzech elementów: szybszych komputerów, lepszego przetwarzania równoległego i pogłębionej analizy matematycznej. Badacze musieli zmierzyć się z ogromnymi wyzwaniami obliczeniowymi. Jak zauważa Greene: “Uważamy, że znamy prawa mechaniki kwantowej, ale wzory są niewiarygodnie trudne do rozwiązania. Dotarcie do tego punktu wymagało głębszego zrozumienia matematyki.”
Choć może się to wydawać czysto teoretycznym osiągnięciem, odkrycie ma konkretne zastosowania. Dotyczy to szczególnie badań nad ultrachłodnymi gazami atomowymi, gdzie atomy schłodzone niemal do zera absolutnego (-273,15°C) nieustannie się zderzają. Gdy trzy lub więcej atomów zderza się jednocześnie, może dojść do rekombinacji, czyli procesu, który zazwyczaj usuwa wszystkie zaangażowane atomy z pułapki. Nowe badania pozwalają przewidzieć warunki, w których rekombinacja pięciu ciał staje się dominującym procesem. Co ważne, przewidywania teoretyczne można już zweryfikować przy użyciu obecnie dostępnych pułapek skrzynkowych. Oznacza to, że praktyczne potwierdzenie tych obliczeń może nadejść relatywnie szybko.
Badania otwierają nowe możliwości dla technologii kwantowych. Lepsze zrozumienie oddziaływań między wieloma atomami może poprawić metody ich przechwytywania i badania, co z kolei przyspieszy rozwój komputerów kwantowych. Osiągnięcie zespołu z Purdue University pokazuje, jak postęp w mocy obliczeniowej pozwala rozwiązywać problemy, które jeszcze niedawno wydawały się niemożliwe do pokonania. To dobry znak dla przyszłych badań w mechanice kwantowej, nawet jeśli potrzeba czasu na osiągnięcie praktycznych korzyści. Można się spodziewać, że w kolejnych latach podobne metody obliczeniowe pozwolą rozwiązać inne skomplikowane problemy kwantowe. Być może któryś z nich okaże się kluczowy dla rozwoju nowych technologii, które dziś trudno nawet sobie wyobrazić.