{"id":9896,"date":"2025-03-09T09:10:09","date_gmt":"2025-03-09T08:10:09","guid":{"rendered":"https:\/\/naukowy.blog.polityka.pl\/?p=9896"},"modified":"2025-03-09T17:00:40","modified_gmt":"2025-03-09T16:00:40","slug":"wykryto-czastke-masywna-badz-bezmasowa-zaleznie-od-kierunku-ruchu","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/2025\/03\/09\/wykryto-czastke-masywna-badz-bezmasowa-zaleznie-od-kierunku-ruchu\/","title":{"rendered":"Wykryto cz\u0105stk\u0119 masywn\u0105 b\u0105d\u017a bezmasow\u0105 – zale\u017cnie od kierunku ruchu"},"content":{"rendered":"\n
\"\"
W mechanice kwantowej ka\u017cdej cz\u0105stce mo\u017cna przypisa\u0107 fal\u0119 i odwrotnie.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

W internecie gruchn\u0119\u0142a informacja, \u017ce fizycy odkryli cz\u0105stk\u0119, kt\u00f3ra ma mas\u0119, je\u015bli porusza si\u0119 w jednym kierunku, masy za\u015b nie posiada, gdy porusza si\u0119 w innym. O co chodzi?<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

\u0179r\u00f3d\u0142o tych doniesie\u0144, praca Yinminga Shao i innych opublikowana niedawno w „Physical Review X”<\/a>, wyja\u015bnia spraw\u0119 w spos\u00f3b bardziej zniuansowany i m\u00f3wi o zjawiskach znacznie bardziej skomplikowanych, ale na dobr\u0105 spraw\u0119 wnioski s\u0105 podobne.<\/p>\n\n\n\n

Donosi ona o wykryciu przewidywanych od p\u00f3\u0142torej dekady specyficznych cz\u0105stek zwanych po angielsku Semi\u2013Dirac Fermions<\/em>. A w zasadzie kwazicz\u0105stek. Nie wdaj\u0105c si\u0119 w szczeg\u00f3\u0142y, wyja\u015bnienie odkrycia wymaga najpierw nakre\u015blenia pewnych podstaw.<\/p>\n\n\n\n

Gdy na pocz\u0105tku XX w. tworzono mechanik\u0119 kwantow\u0105, wprowadzono genialne poj\u0119cie kwantu, czyli najmniejszej porcji czego\u015b. Maks Planck wyja\u015bni\u0142 w ten spos\u00f3b widmo cia\u0142a doskonale czarnego, podaj\u0105c wz\u00f3r na energi\u0119 kwantu r\u00f3wn\u0105 iloczynowi 2 sta\u0142ych podzielonym przez d\u0142ugo\u015b\u0107 fali \u015bwiat\u0142a (E\u2008=\u2008hc\/\u03bb<\/em>).<\/p>\n\n\n\n

Kwant by\u0142 dla Plancka poj\u0119ciem czysto hipotetycznym, matematycznym wybiegiem pozwalaj\u0105cym policzy\u0107 wcze\u015bniej niepoliczalne. Pomys\u0142, by b\u0119d\u0105ce w oczywisty spos\u00f3b fal\u0105 \u015bwiat\u0142o mia\u0142o sk\u0142ada\u0107 si\u0119 z jakichkolwiek cz\u0105stek, wydawa\u0142 si\u0119 genialnemu fizykowi absurdalny. Niemniej to w\u0142a\u015bnie za\u0142o\u017cenie \u2013 przekazywanie \u015bwiat\u0142a w cz\u0105stkach \u2013 pozwoli\u0142o Einsteinowi wyja\u015bni\u0107 efekt fotoelektryczny, za co dosta\u0142 p\u00f3\u017aniej Nobla.<\/p>\n\n\n\n

Spraw\u0119 wyja\u015bni\u0142 \u2013 albo raczej zagmatwa\u0142 \u2013 w doktoracie Luis de Broglie. Zaproponowa\u0142, by ka\u017cdej cz\u0105stce przypisa\u0107 fal\u0119. Jej d\u0142ugo\u015b\u0107 wyra\u017ca si\u0119 iloczynem wprowadzonej przez Plancka i zwanej odt\u0105d jego imieniem sta\u0142ej i p\u0119du cz\u0105stki, czyli (m\u00f3wi\u0105c najpro\u015bciej) iloczynu jej masy i pr\u0119dko\u015bci (\u03bb\u2008=h\/p<\/em>; p\u2008=\u2008mv<\/em>). M\u00f3wienie o p\u0119dzie zamiast pr\u0119dko\u015bci znacznie upraszcza rachunki, poniewa\u017c informuje zarazem, jak du\u017co masy z dan\u0105 pr\u0119dko\u015bci\u0105 si\u0119 porusza. W uk\u0142adach zamkni\u0119tych ca\u0142kowity p\u0119d si\u0119 nie zmienia i to w\u0142a\u015bnie ta zasada rz\u0105dzi codzienn\u0105 mechanik\u0105.<\/p>\n\n\n\n

Mo\u017cna p\u00f3j\u015b\u0107 w drug\u0105 stron\u0119: w mechanice kwantowej dowolnej fali spr\u00f3bowa\u0107 przypisa\u0107 cz\u0105stk\u0119. Nie zawsze b\u0119dzie to cz\u0105stka realnie istniej\u0105ca, mo\u017cliwa do wykrycia jako wzbudzenie pewnego kwantowego pola, ale to nie przeszkadza, by poda\u0107 jej teoretyczne w\u0142asno\u015bci. Przyk\u0142adowo: luka w morzu elektron\u00f3w b\u0119dzie zachowywa\u0107 si\u0119 tak samo jak hipotetyczna cz\u0105stka o \u0142adunku dodatnim, czyli pozyton, mimo \u017ce realnie istniej\u0105cego pozytonu tam nie b\u0119dzie.<\/p>\n\n\n\n

W podobny spos\u00f3b opisuje si\u0119 wzbudzenia drga\u0144 sieci (fonony) czy ich odkszta\u0142cenia (polarony). M\u00f3wimy wtedy o kwazicz\u0105stach.<\/p>\n\n\n\n

Energia takiej cz\u0105stki zale\u017cy od jej p\u0119du, wyst\u0119puj\u0105cego we wzorze w pierwszej b\u0105d\u017a drugiej pot\u0119dze. Podobnie w przypadku poruszaj\u0105cej si\u0119 cz\u0105stki dobrze znany ze szko\u0142y \u015bredniej wz\u00f3r na energi\u0119 kinetyczn\u0105 (pr\u0119dko\u015b\u0107 do kwadratu razy masa przez 2, E\u2008=\u2008mv2<\/sup>\/2<\/em>) mo\u017cemy przekszta\u0142ci\u0107 na p\u0119d do kwadratu przez dwukrotno\u015b\u0107 masy (E\u2008=\u2008p2<\/sup>\/2m<\/em>). Generalnie w przypadku cz\u0105stek posiadaj\u0105cych masy spoczynkowe p\u0119d wyst\u0119puje we wzorze na energi\u0119 w pot\u0119dze drugiej. Natomiast w przypadku cz\u0105stek bezmasowych (tzn. nieposiadaj\u0105cych masy spoczynkowej, takich jak foton) p\u0119d wyst\u0119puje w pierwszej pot\u0119dze.<\/p>\n\n\n\n

Ot\u00f3\u017c energia nowej kwazicz\u0105stki wyra\u017ca si\u0119 wzorem znacznie bardziej skomplikowanym, w kt\u00f3rej to formule wyst\u0119puj\u0105 dwa r\u00f3\u017cne p\u0119dy (precyzyjniej autorzy u\u017cywaj\u0105 zwi\u0105zanej z p\u0119dem liczby falowej, odwrotnie proporcjonalnej do d\u0142ugo\u015bci fali, ale, jak wiemy dzi\u0119ki de Broglie\u2019owi, mo\u017cna je \u0142atwo przeliczy\u0107 na p\u0119d).<\/p>\n\n\n\n

Kwazicz\u0105stki te wyst\u0119powa\u0142yby w p\u0142askiej strukturze, w obr\u0119bie kt\u00f3rej wyr\u00f3\u017cni\u0107 mo\u017cna tylko dwa prostopad\u0142e kierunki (jak na kartce papieru). Poruszaj\u0105c si\u0119 w jednym z nich, zachowywa\u0142yby si\u0119 wi\u0119c jak cz\u0105stki bezmasowe. Prostopadle do tego kierunku natomiast zachowywa\u0142yby si\u0119 zupe\u0142nie jak cz\u0105stki obdarzone mas\u0105 spoczynkow\u0105.<\/p>\n\n\n\n

Kto\u015b m\u00f3g\u0142by postawi\u0107 tutaj zarzut, \u017ce cz\u0105stki takie nie mia\u0142yby „prawdziwej masy\u201d, a jedynie zachowywa\u0142yby si\u0119 tak, jakby j\u0105 mia\u0142y. Ale czym jest ta „prawdziwa masa\u201d? Przypomnijmy, \u017ce nie jest jak\u0105\u015b immanentn\u0105 w\u0142a\u015bciwo\u015bci\u0105 cz\u0105stki, pojawia si\u0119 wskutek oddzia\u0142ywa\u0144. Pierwotnie bezmasowe cz\u0105stki oddzia\u0142uj\u0105 wpierw z polem Higgsa, w kt\u00f3rym spowalniaj\u0105 tak, jakby mia\u0142y mas\u0119, wi\u0119kszo\u015b\u0107 za\u015b masy znanego nam \u015bwiata pochodzi z ich dalszego oddzia\u0142ywania z polami kolorowymi wi\u0105\u017c\u0105cymi kwarki.<\/p>\n\n\n\n

Wykrycie omawianego masowo-bezmasowego indywiduum nie by\u0142o \u0142atwe. Pocz\u0105tkowo pr\u00f3bowano znale\u017a\u0107 je w grafenie, z przyczyn technicznych nie uda\u0142o si\u0119. My\u015blano o fosforze, w ko\u0144cu uda\u0142o si\u0119 z wykazuj\u0105cym pewne metaliczne w\u0142a\u015bciwo\u015bci materiale ZrSiS (siarczku cyrkonu i krzemu). W eksperymentach pos\u0142u\u017cono si\u0119 pewn\u0105 dodatkow\u0105 w\u0142a\u015bciwo\u015bci\u0105. Mianowicie elektrony metalach po przy\u0142o\u017ceniu zewn\u0119trznego pola magnetycznego B kr\u0105\u017c\u0105 po okr\u0119gach jak w cyklotronie. Energia zwi\u0105zana z tym ruchem zale\u017cy za\u015b od warto\u015bci indukcji B: w przypadku cz\u0105stek o masie spoczynkowej liniowo, w przypadku bezmasowych zale\u017cy liniowo od pierwiastka z B, w przypadku Semi-Dirac Fermions zale\u017ca\u0142aby liniowo od warto\u015bci B podniesionej do pot\u0119gi dwie trzecie (ta dziwna pot\u0119ga to po prostu kwadrat pierwiastka sze\u015bciennego z B).<\/p>\n\n\n\n

Dzi\u0119ki temu kolejne fizyczne dziwactwo w\u0142a\u015bnie uda\u0142o si\u0119 wykry\u0107. Autorzy spekuluj\u0105 nad wykorzystaniem takich cz\u0105stek – prawdopodobnie zapewnia\u0142yby materia\u0142om w\u0142a\u015bciwo\u015bci nadprzewodnik\u00f3w i mog\u0142yby si\u0119 znale\u017a\u0107 w komputerach kwantowych. To pie\u015b\u0144 przysz\u0142o\u015bci. Na razie mamy kolejne do\u015bwiadczenie wskazuj\u0105ce, \u017ce istniej\u0105 na \u015bwiecie dziwy, kt\u00f3re nie \u015bni\u0142y si\u0119 filozofom.<\/p>\n\n\n\n

Marcin Nowak<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Bibliografia<\/strong><\/p>\n\n\n\n