Таинственные петли в ткани реальности: физики впервые увидели «кольца Алисы»

Наконец-то в сверххолодном газе образовались странные петли в ткани реальности, что дало физикам возможность изучить поведение довольно своеобразного вида одностороннего магнетизма. Круговые структуры, известные как «кольца Алисы» в честь Алисы из «Страны чудес», наблюдались в результате сотрудничества исследователей из США и Финляндии, у которых уже есть длинный список открытий, касающихся искажений в квантовых полях, известных как топологические монополи. Это исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Изолированный эквивалент полюса на магните, монополи действительно звучат как то, что Алиса могла бы увидеть во время охоты на белого кролика. Разрезание магнита пополам не поможет отделить его север от юга, но теоретически в квантовой машине, порождающей различные силы и частицы, могут возникнуть монополи.

Одна из версий монополя принимает форму элементарной частицы, и та, которую не удалось идентифицировать, остается на данный момент чисто гипотетической.

Однако монополи могут возникнуть и в других условиях. Вспенивание различных квантовых полей может породить свой собственный стиль одностороннего магнетизма, поскольку они кружатся, тянут и дергают свое окружение, порождая кратковременные аномалии, которые выделяются на долю секунды, прежде чем снова исчезнуть в водовороте. 

Будучи членом Коллаборации монополей Университета Аалто в Финляндии, физик Микко Мёттонен хорошо знаком с целым рядом водоворотов, струн и клубков, которые могут возникать в переплетении квантовой ткани.

В 2015 году, всего через год после доказательства существования топологического монополя, Мёттонену и его коллегам триумфально удалось впервые наблюдать его изолированно в ультрахолодном состоянии атомов рубидия, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом (БЭК).

«Мы единственные, кто смог создать топологические монополи в квантовых полях», — объяснил Мёттонен. «После их создания нам потребовалось некоторое время, чтобы изучить квантовые узлы и скирмионы, прежде чем мы внимательно рассмотрели, что происходит с топологическим монополем сразу после его создания».

Менее чем через два года после первоначального наблюдения коллаборация сделала неожиданное открытие: монополи могут распадаться на другие типы.

В этом последнем исследовании исследователи снова наблюдали, как топологический монополь плавился во что-то другое, только на этот раз конечный результат был больше похож на крошечную дверь в Страну чудес – структуры, названные струнами Алисы.

Струны Алисы тесно связаны с монополями, которые скручиваются в односторонние магнитные полюса всякий раз, когда замыкаются в петли. И эти петли из струн Алисы известны как кольца Алисы.

Тем не менее, в то время как типичные монополи могут работать несколько тысячных долей секунды, кольца Алисы действуют более 80 миллисекунд – примерно в 20 раз дольше.

«Издалека кольцо Алисы выглядит как монополь, но, если смотреть через центр кольца, мир принимает другую форму», — говорит Дэвид Холл, физик из Амхерстского колледжа в США.

Подобно зеркалу Алисы, прохождение через странную магнитную петлю в квантовом поле БЭК может перевернуть все с ног на голову. Другие монополи, которые случайно проваливаются, превращаются в свои зеркальные версии, переворачивая кольцо в его противоположность по мере продвижения.

Хотя команде еще предстоит наблюдать эту инверсию экспериментально, обнаружение образования кольца при распаде топологического монополя является захватывающим прогрессом.

На практическом уровне мы можем только предполагать, как можно применить это открытие. Но чем больше мы узнаем о нестабильной природе квантовых полей, тем лучше мы сможем составить карту их вод и понять более глубокие истины реальности.

«Прежде всего, создание колец Алисы имеет фундаментальное значение», — рассказал Мёттонен. «Он проливает свет и вдохновляет на поиск самых глубоких составляющих Вселенной, материи и информации».