Вновь открывшимся состояния материи воплощают то, что Эйнштейн называл „призрачном действием на расстоянии”. Недавно ответы на некоторые вопросы, касающиеся их необъяснимых свойств найдена в отдаленном уголке физики: в теории струн.

Пару лет назад я нашел там, где никогда не ожидал быть: на конференции, посвященной теории струн. Моя область-это материя конденсируется: исследование материалов, таких как металлы и сверхпроводники охлаждается в лаборатории до температуры близкой абсолютного нуля. Это противоположный полюс физики по отношению к теории струн, которая пытается описать явления, происходящие с энергией гораздо большей, чем доступно в лаборатории, и даже в любом месте известной нам Вселенной. Теоретики струн занимаются экзотической физикой, которая управляет поведением черных дыр или предполагаемым существованием дополнительных измерений пространства-времени. Для них основной движущей силой в природе является гравитация, которая для меня не имеет значения.

Различия в предмете исследования, сопровождается культурная пропасть. Теоретики струн в распространенному мнению, составляют elite. Я был на конференции во главе с сознанием их математического гения. Ранее в течение нескольких месяцев я читал статьи и книги, которые часто przerastały мое воображение. Я был уверен, что останусь им пренебрегают, как новичок и невежда. Оказалось, что теоретики были проблемы с пониманием простейших понятий из моей области. Пришлось использовать наглядные рисунки, которые ранее использовал только в разговорах со студентами стартап специализацию.

Что привело к тому, что я нашел в этом кругу? В последние годы многие физики конденсированных сред заметили, что наши материалы ведут себя так, как никогда раньше мы их не замечали. Оказалось, что они образуют четко различающиеся фазы квантовые структуры о самых необычных в мире свойствами. В своей знаменитой работе 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен обратили внимание на тот факт, что из квантовой теории вытекает существование „призрачных” связей между частицами, такими как электроны. Сегодня отношения этого типа мы называем splątaniem квантовым. Оказывается, что поведение частиц согласованы, хотя и не видно прямых воздействий физических. Тройка авторов (сокращенно ЭПР) рассматривала в своей работе пары электронов; в твердых телах, металлах или nadprzewodnikach проблема касается гораздо большего числа частиц, даже 1023 в случае средней пробы исследуемой в лаборатории. В некоторых случаях, осложнений не даст понять разумом. Большую часть научной карьеры я провел, пытаясь разгадать такие загадки. Проблема не является чисто академический: сверхпроводники являются важным из-за его применения в технике и физики пытаются объяснить их свойства и возможности.

В какой-то момент я и мои коллеги заметили, что благодаря теории струн, мы можем взглянуть на проблему с совершенно неожиданной стороны. Стремясь к унификации теории элементарных частиц с einsteinowską теорией гравитации, теоретики струн, пришла в голову идея двойственности – скрытых связей между отдаленными областями физики [см.: „Иллюзорная сила тяжести”. Juan Maldacena; Мир Науки, декабрь 2005]. Двойственность теории связывают эффективным в том случае, когда квантовые эффекты являются слабыми, а гравитация сильная, с теориями делают-для сильных квантовых эффектов и слабой гравитации. Позволяют, поэтому надо использовать объяснения из одного района в другой. Мы можем перевести проблему запутывания эквивалент из области гравитации и использовать достижения теории струн в объяснении сущности черных дыр. Это пример очень сложной горизонтального мышления.

Скрытые фазы

Чтобы понять, в чем проблема, давайте вернемся в школу и вспомним, что учителя говорили о различных фаз материи, понимая это соединенные фокус – твердый, жидкий и газообразный. Интуитивное различие этих понятий не было проблем. В твердом состоянии вещество сохраняет свою форму и размеры, в жидком принимает форму емкости. Состояние газовый напоминает жидкий, но материя легко меняет свой объем. Хотя эти различия кажутся простыми, это суть состояний вещества в нашем окружении пояснили в научный метод только в начале XX века. В кристаллах атомы образуют жесткую налаженную сеть, а в жидкостях и газах могут двигаться.

Но перечисленные три состояния сосредоточения не исчерпывают богатства фаз материи. В твердых телах мы не только для атомов, но также и целое море электронов. Каждый атом может быть источником даже несколько электронов, способных перемещаться по всему кристалле. Когда образец подключим к батарее, потечет ток. В принципе, для всех материалов, действует закон Ома: сила тока равна напряжению, котор делят через сопротивление. Изоляторы, такие как тефлон, имеют большое сопротивление, а металлы, как медь – маленький. Особое место занимают сверхпроводники, в которых сопротивление настолько мал, что его невозможно измерить. В 1911 году Heike Kamerlingh Onnes обнаружил nadprzewodnictwo, schładzając ртуть до температуры -269°C. Сегодня мы знаем сверхпроводники, которые сохраняют свои свойства при относительно высокой температуре -138°C.

Хотя внешне это сложно заметить, проводники, изоляторы и сверхпроводники-это различные фазы вещества. В любом случае море электронов принимает другую форму. В течение последних двадцати лет физики обнаружили новые фазы электронов в твердых телах. Самые интересные из них не имеют даже свое название: физики обычные определять их металлами пользовательскими. Их отличительной чертой является необычная зависимость электрического сопротивления от температуры.

Различия между этими фазами являются результатом формам поведения электронов. Если движение атомов в кристаллах, жидкостях и газах можно объяснить с помощью уравнений мир ньютоновской механики, то электроны каждый раз, когда вам нужно описать на квантовом. Основные правила, регулирующие поведение электронов являются аналогом правил, описывающих электроны в атомах. Движение электрона по орбите вокруг ядра описывает rozchodząca волна. Электрон может находиться в одном из бесконечно многих разрешенных состояний, описываемых через различные измеряемые величины, например, энергию. Важно, что электрон не только вращается по орбите вокруг ядра, но также и вращается вокруг собственной оси. Это движение может происходить по часовой стрелке или в противоположном направлении по часовой стрелке, но не может быть ни ускоряется, ни замедляется. Принято говорить, что электрон имеет спин, направленный вверх или вниз.

В атомах, содержащих более одного электрона основным правилом является запрет на Поли, который говорит, что два электрона не могут занимать одного и того же состояния. (Запрет Поли это касается всех частиц, которые физики называют fermionami.) Если мы увеличиваем число электронов в атоме, каждый вновь добавленный электрон занимает свободное состояние с наименьшей возможной энергии, что можно сравнить для долива воды для стакана, которая постепенно заполняется, начиная с дна.

Такие же рассуждения можно применить к 1023 электронов в куске металла. Электроны, которые могут отключиться от атомов, занимают сша, которые простираются во всем кристалле. Эти состояния можно представить как синусоидальные волны, длина которых связана с питанием. Электроны занимают состояния с наименьшей свободной энергии, допустимой на запрет Поли. Как правило, заполняют все состояния с энергией меньшей, чем предельное значение, называется энергией Ферми.

При подаче напряжения некоторые электроны получают дополнительную энергию, которая позволяет перейти от занимаемых ранее состояний для свободных состояний выше энергии Ферми [см. вставку на следующей странице]. Благодаря этому они могут свободно передвигаться. В случае изолятора все доступные состояния уже заняты; подачи напряжения не предоставляет каких-либо новых положений, и, следовательно, ток не течет.

В nadprzewodnikach ситуация более сложная. Их поведение нельзя объяснить, если электроны будет рассматривать по отдельности. Оказывается, что они соединяются в пары, которые описывает теория сверхпроводимости опубликована в 1957 году Джоном Bardeena, Леона Купера и Джона Роберта Schrieffera (известна как теория BCS). Казалось бы, это странно, потому что два электрона должны отталкиваться. Однако оказывается, что в результате колебаний кристаллической решетки появляется сила, притягательность, которая преобладает над естественным отталкиванием. Каждая пара ведет себя не как fermion, но, как квантовая частица другого рода – бозон, которого не распространяется запрет на Поли. Все пары электронов могут собраться в одном состоянии о самой энергии. Это явление называется конденсацией Бозе-Эйнштейна. Это как наливать воду в стакан, который вовсе не наполняет. Вместо этого, на самом дне образуется тоненький слой льда, способная поглотить любое количество dolewanej воды, не изменяя при этом своей толщины.

Если przyłożymy напряжение для такого материала, при этом перемещение пар к состоянию с минимально высшей энергии и поток энергии. Потому что в другом случае, если это состояние отсутствует, ничто не может нарушить течения, соединенных в пары электронов. Поэтому сверхпроводником проводит электрический ток с нулевым сопротивлением.