Krátká odpověď: kvazičástice jsou skutečné, ale pouze za předpokladu, že zahodíme myšlenku, že částice musí být „samotář“.
Nejsou to malé kulečníkové koule. To nejsou protony. A rozhodně ne elektrony v tradičním slova smyslu. Místo toho jsou to vzrušení. Vlnky na povrchu. Kolektivní chování hmoty, která se chová jako jediný celek. Zní to abstraktně, protože to tak je, dokud se nepodíváte na to, jak tyto pojmy používáme k vysvětlení všeho od supravodičů po solární panely.
Jak fungují kvazičástice ve hmotě
Abyste pochopili, co jsou kvazičástice, musíte nejprve rozbít své dětské představy o fyzice.
Učíme se myšlence, že částice jsou diskrétní objekty. Mramorový puk. Kulka. Zrnko písku. Pak přišla kvantová mechanika. V roce 1924 Louis de Broglie ukázal, že elektrony se chovají jako vlny. Tím se vše obrátilo vzhůru nohama.
Moderní fyzika jde ještě dál. Částice jsou jen vlnky v polích, která vyplňují vesmír. Světlo? Jedná se o vlnky v elektromagnetickém poli. Elektron? Toto je vlnění ve svém vlastním oboru.
Ale co se stane, když se tyto vlnky šíří hmotou?
Představte si stadion. Tisíce lidí sedí v řadách. Vstanou a posadí se v určitém pořadí. Arénou prochází „vlna“. Má rychlost. Má pozici. Přesouvá se ze sektoru A do sektoru B.
Ale kde je samotná vlna?
Toto není osoba. Není to fyzický předmět, který můžete zvednout. Toto je vzorec chování. Pokud vyprázdníte stadion, vlna zmizí. Nemůže existovat ve vakuu. Potřebuje dav.
To je to, co je kvazičástice.
Douglas Natelson, fyzik z Reese University, to říká na rovinu. Kvazičástice existují pouze uvnitř média. Toto je kolektivní odezva interagujících komponent. Elektrony a protony mohou „plavat“ v prázdném prostoru. Kvazičástice – ne. Jsou připoutáni ke svému hmotnému „domu“.
Takže nejsou skutečné? Ne. Lze je detekovat. Lze je měřit. Mohou být dokonce použity v technologii. Chovají se jako částice, protože s nimi matematika zachází jako s částicemi. To zjednodušuje chaotický systém do vypočitatelného stavu.
Jaké kvazičástice vlastně existují?
Koncept navrhl Leg Landau v 50. letech 20. století. Za to dostal Nobelovu cenu. Od té doby vědci objevili celou „zoo“ takových entit.
Zde jsou ty hlavní, které potřebujete vědět.
- Phonon: Toto je částečka zvuku. Jedná se o nejmenší balíček vibrační energie v materiálu. Když se něčeho dotknete a cítíte vibrace, cítíte fonony.
- Elektronová díra: Když se elektron pohybuje, zanechává za sebou prázdnotu. Tato prázdnota má pozitivní náboj. Tento prázdný prostor považujeme za částici zvanou „díra“. Pohybuje se opačným směrem než elektrony. Ve svých účincích je skutečný, i když doslova nic.
- Exciton: Představte si elektron a díru slepené k sobě, točící se kolem sebe. Jsou spojeny elektrostatickou přitažlivostí. Tato kvazičástice je pro solární články kritická. Přenáší energii bez přenosu čistého náboje.
- Anion: Tyto částice se objevují pouze ve dvourozměrných systémech. Jsou divní. Mohou nést zlomkové hodnoty elektrického náboje. Standardní částice mají celočíselný náboj. Anionty ne.
Ross MacKenzie z University of Queensland naznačuje, že by potenciálně mohlo existovat nekonečné množství typů kvazičástic. Existuje nekonečný počet stavů hmoty. Každý stát má pravděpodobně svůj vlastní kvazičásticový otisk.
Proč potřebujeme teorii kvazičástic?
Můžete se ptát: proč věci komplikovat? Proč nesledovat každou jednotlivou atomovou částici?
Protože jinak je matematika nemožná.
Natelson říká, že díky kvazičásticím je matematika v pevné fázi zvládnutelná. Bez nich by popis toho, jak elektřina proudí měděným drátem nebo jak funguje laser, vyžadoval sledování miliard jednotlivých interakcí. Byl by to čistý chaos.
S kvazičásticemi zacházíme s celým davem jako s jedinou entitou.
“Vědci popisují procesy v materiálu jako kvazičástice, protože to vše radikálně zjednodušuje.”
Nejedná se pouze o teoretické účetnictví. To je strojírenství. Když navrhujete polovodič, navrhujete jej s ohledem na díry a elektrony. Když stavíte kvantový počítač, hledáte anionty. Právě tyto kvazičástice určují, jak materiály vedou teplo, světlo a energii.
Kontrola reality
Takže zpět k hlavní otázce. Jsou skutečné?
Pokud „realita“ znamená „existující izolovaně v prázdnotě“, pak ne. Nemůžete dát fonon do sklenice a vzít si ho domů.
Pokud „realita“ znamená „mít měřitelné vlastnosti a dodržovat fyzikální zákony“, pak ano. Nepochybně.
MacKenzie tvrdí, že jsou pro všechny praktické účely stejně skutečné jako standardní částice. Dají se chytit. Můžete sledovat, jak odrážejí hranice. Lze je použít k napájení zařízení.
Hranice mezi „základní částicí“ a „emergentním jevem“ je nejasná. Pro někoho možná příliš rozmazané. Ale fyzika není o čistých definicích. Jde o modely, které fungují.
Kvazičástice fungují.
Umožňují nám vidět skrytou strukturu hmoty. Přeměňují šum na signál. Přeměňují chaotický dav v jedinou pohybující se vlnu.
Zda to považujete za skutečné, závisí na tom, čeho si ceníte více: hmatatelnosti nebo chování?
Vlna pokračuje v pohybu bez ohledu na to.
