Международная группа физиков совершила прорыв, экспериментально подтвердив существование теоретического феномена, известного как «кольца Алисы». Это открытие, связанное с поведением магнитных монополей в квантовых системах, может кардинально изменить наше понимание фундаментальных физических процессов. Наблюдение этих структур открывает новые пути для изучения квантовой реальности и свойств материи в экстремальных условиях.
В ходе экспериментов со сверххолодными газами ученые обнаружили петлеобразные вихревые структуры, которые образуются при распаде магнитных монополей — гипотетических частиц, обладающих лишь одним магнитным полюсом. Эти кольцеобразные образования, названные в честь героини сказок Льюиса Кэрролла, были созданы в результате совместной работы американских и финских исследователей, что подчеркивает важность международного научного сотрудничества.
Наблюдаемые кольца представляют собой визуальное подтверждение теоретических моделей, описывающих, как нестабильные монополи трансформируются в устойчивые вихревые структуры. В центре такого кольца происходит инверсия магнитных свойств, что делает этот объект особенно интересным для изучения. Результаты этой новаторской работы были обнародованы в авторитетном научном журнале Nature Communications.
В погоне за магнитными монополями
Магнитные монополи долгое время оставались одной из самых интригующих загадок квантовой физики. В отличие от привычных нам магнитов, которые всегда имеют два полюса (северный и южный), монополь теоретически должен обладать лишь одним типом магнитного заряда. Эта особенность делает их чрезвычайно сложными для создания и изучения в лабораторных условиях, что лишь подогревает научный интерес к ним.
Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи использовали передовые методы охлаждения и манипуляции веществом. Они работали с газом из атомов рубидия, охлажденным до температур, близких к абсолютному нулю. В таких экстремальных условиях вещество переходит в особое состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, что позволило ученым создать магнитный монополь, управляя конфигурацией магнитного поля.
На иллюстрации (а) показан топологический монополь с упорядоченным магнитным полем вокруг центральной точки. Этот монополь создается путем точного позиционирования нулевой точки магнитного поля. На изображениях (б) и (в) представлены различные конфигурации «кольца Алисы» — красного кольцеобразного вихря, который образуется из монополя. Эти кольца окружены ферромагнитной фазой вещества, что создает уникальную квантовую систему.
Обратите внимание: Исследования Марии Кюри в области радиоактивных элементов принесли ей признание как "матери современной физики".
Стоит отметить, что путь к этому открытию был долгим. Еще в 2014 году та же научная группа впервые продемонстрировала квантовый аналог магнитного монополя, а в 2015 году им удалось изолировать отдельные квантовые монополи. Наблюдение процесса их распада, ведущего к образованию колец, стало кульминацией многолетних исследований.
Удивительная стабильность колец Алисы
Одной из самых поразительных особенностей открытого феномена является контраст между недолговечностью монополей и удивительной стабильностью образующихся из них колец. В то время как исходные монополи существуют лишь несколько миллисекунд, моделирование показывает, что кольца Алисы могут сохраняться до 84 миллисекунд — более чем в двадцать раз дольше. Эта повышенная стабильность делает их более доступными для детального изучения.
На изображении представлена детальная компьютерная симуляция, показывающая процесс трансформации монополя в кольцо Алисы. Такое моделирование позволяет ученым лучше понять динамику этого сложного квантового перехода.
Профессор Микко Мёттонен из Университета Аалто, один из соавторов исследования, подчеркивает значимость этого достижения: «Впервые в истории нам удалось создать кольца Алисы в лабораторных условиях. Это монументальный шаг вперед, который открывает двери для изучения ранее неизвестных аспектов квантовой реальности. Мы полагаем, что эти структуры могут хранить ключи к пониманию фундаментальных законов природы».
На фотографии запечатлено экспериментальное доказательство существования кольца Алисы на краю конденсата Бозе-Эйнштейна. Такие визуальные подтверждения крайне важны для валидации теоретических моделей.
Кольца Алисы: портал в инвертированный мир?
При первом взгляде кольцо Алисы может быть ошибочно принято за монополь, особенно если наблюдать его с определенного ракурса. Однако при более близком рассмотрении открываются их уникальные свойства. Самая удивительная особенность этих колец заключается в том, что они действуют как своеобразная призма или портал, инвертирующая свойства проходящих через них объектов.
Мёттонен проводит яркую аналогию: «Это похоже на то, как если бы кольцо было вратами не в мир обычной материи, а в мир антиматерии, где привычные физические законы работают наоборот». Здесь уместно вспомнить сказку Льюиса Кэрролла, где Алиса, проходя через зеркало, попадает в мир, где все перевернуто с ног на голову.
Согласно теоретическим предсказаниям, монополь, проходящий через центр такого кольца, должен превращаться в свою противоположность — антимонополь с обратным магнитным зарядом. Хотя это явление инверсии еще не было непосредственно зафиксировано в эксперименте, топологический анализ структуры колец Алисы однозначно указывает на такую возможность. Ученые надеются, что дальнейшие исследования позволят наблюдать этот удивительный процесс непосредственно.
Открытие колец Алисы не только подтверждает смелые теоретические предсказания, но и открывает новые горизонты для квантовых исследований. Эти структуры могут стать инструментом для изучения экзотических состояний материи и, возможно, помогут в разработке принципиально новых технологий в будущем.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Физики подтвердили загадочное (до сих пор чисто теоретическое) явление "колец Алисы" - отсылка к сказкам Льюиса Кэрролла.