Egy új matematikai bizonyítás szerint egyes kvantumállapotok képesek ellenállni a rendezetlenség elkerülhetetlen terjedésének – vagyis meglepő, de talán mégsem ural mindent az entrópia. Andrew Lucas és a Colorado Boulder Egyetem kutatócsapata által vezetett felfedezés egy évtizedes vita újabb fejezete, amely arról folyik, hogy a kvantumrészecskék képesek-e bizonyos tulajdonságaikat korlátlan ideig fenntartani – számol be róla a New Scientist.

Na, de miről is van szó egész pontosan? A fizikusok eddig úgy gondolták, hogy amikor egy rendszer részecskéi felmelegszenek, idővel egyre rendezetlenebbé válnak – ezt a folyamatot nevezzük termikusodásnak. A termodinamika második főtétele szerint minden rendszer végül eléri a maximális entrópiát, amikor az energia és az anyag egyenletesen oszlik el. Egy ládányi alma például, ha elássuk a föld mélyére, és senki nem nyúl hozzá, akkor nem rendezi magát át az almák színe vagy mérete szerint, hanem épp ellenkezőleg: az almák végül homogén péppé rohadnak.

Mi van azonban, ha ez a mindennapokban egyetemes törvény mégsem olyan elterjedt, mint hisszük?

Az 1950-es években Phillip Anderson fizikus már felvázolt egy elképzelést, amely szerint a kvantumbirodalomban a részecskék elkerülhetik a felmelegedést, és hullámszerű viselkedést produkálhatnak. Anderson feltevése alapján bizonyos körülmények között a részecskék lokalizált állapotban maradhatnak, így ellenállhatnak a rendezetlenségnek. Ez az elmélet 2016-ban került újra elő, amikor John Imbrie, a Virginiai Egyetem kutatója kimutatta, hogy egy kvantumrészecskékből álló rendszer valóban képes fenntartani egy olyan állapotot, amely ellenáll a termikusodásnak – ezt a jelenséget soktest lokalizációnak (MBL) nevezik.

Imbrie bizonyítása azonban speciális feltételeket feltételezett a részecskék energiájára vonatkozóan, ami vitát váltott ki arról, hogy az MBL a gyakorlatban megvalósítható-e. Bár a teoretikusok egyetértenek abban, hogy az MBL-t a fizika törvényei lehetővé teszik, a kísérleti és matematikai kutatások eddig nem jártak sikerrel a bizonyítás kapcsán.

Lucas és csapata hagyományos fizikai egyenletek helyett épp ezért egy számítástechnikai elveken alapuló új módszert alkalmazott a probléma megközelítésére: gráfelméletet használtak a kvantumállapotok modellezésére, és ezzel végül igazolták, hogy bizonyos állapotok örökre változatlanok maradhatnak. A kutatás társszerzője, Rahul Nandkishore megjegyezte, hogy a bizonyítás bár elkerüli a meg nem erősített feltételezéseket, ugyanakkor csak végtelen dimenziójú rendszerek esetén érvényes.

A felfedezés egyébként nem csupán elméleti érdekesség, fontos hatással bírhat a kvantumszámítástechnika fejlődésére, sőt, a hőfizika alapjainak az újragondolását is szükségessé teheti. A kutatás egyelőre folytatódik, és a csapat célja, hogy az eredményeiket reálisabb rendszerekre is alkalmazza.

(Kép: Science Photo Library)