פיזיקאים הציגו את הרעיון של רטט מגנטי כדי לנתח תיאוריות שדות קוונטיים (QFT), וחושפים דרכים חדשות להמחיש אינטראקציות ותכונות בתוך מערכות אלו. קרדיט: twoday.co.il.com
מושג פשוט של ריקבון וביקוע של "רעידים מגנטיים" עוזר להבהיר פיזיקה קוונטית מורכבת ומבנים מתמטיים.
חוקרים השתמשו ברטט מגנטי כדי להתעמק ביסודות הפיזיקה הקוונטית, במיוחד דרך העדשה של תיאוריות שדות קוונטיות סופר-סימטריות. הם סיפקו פירוש חדש למנגנון היגס, הממחיש כיצד חלקיקים צוברים מסה ואת הפוטנציאל של ריקבון וביקוע בתוך QFTs.
מחקר פיסיקה קוונטית חלוצי
צוות מחקר בינלאומי בראשות מרקוס שפרלינג, מוביל פרויקט START בפקולטה לפיזיקה, אוניברסיטת וינה, עורר עניין בקהילה המדעית עם תוצאות חלוציות בפיזיקה קוונטית: במחקר הנוכחי שלהם, החוקרים מפרשים מחדש את מנגנון היגס, המעניק לחלקיקים היסודיים מסה ומפעיל מעברי פאזה, תוך שימוש במושג "רעידים מגנטיים". העבודה פורסמה כעת בכתב העת היוקרתי מכתבי סקירה פיזית.
הבסיס למחקר של מרקוס שפרלינג, שנמצא בצומת של פיזיקה ומתמטיקה, הוא תורת השדה הקוונטים (QFT) – מושג פיזיקלי-מתמטי בתוך הפיזיקה הקוונטית המתמקד בתיאור חלקיקים ואינטראקציות ביניהם ברמה התת-אטומית. מאז 2018, הוא פיתח יחד עם עמיתיו את מה שנקרא "רעידים מגנטיים" – כלי גרפי המסכם את כל המידע הדרוש להגדרת QFT, ובכך מציג אינטראקציות מורכבות בין שדות חלקיקים או גדלים פיזיים אחרים בצורה ברורה ואינטואיטיבית.
ההתפרקות והביקוע של רעידים מגנטיים מספקים תובנות לגבי היסודות הפיזיקליים והמתמטיים של תיאוריות השדות הקוונטיים. QFTs הם המסגרת לתיאור של אינספור תופעות פיזיקליות: מחלקיקים תת-אטומיים ועד ליקום. קרדיט: פדרו דל ריאל
רטט מגנטי מטפורי
רטט מורכב מחצים וצמתים מכוונים. החצים מייצגים את השדות הקוונטיים (שדות החומר), בעוד שהצמתים מייצגים את האינטראקציות – למשל, חזקות, חלשות או אלקטרומגנטיות – בין השדות. כיוון החצים מציין כיצד השדות טעונים תחת האינטראקציות, למשל, איזה מטען חשמלי נושאים החלקיקים.
מרקוס שפרלינג מסביר, "המונח 'מגנטי' משמש כאן גם באופן מטפורי כדי להצביע על התכונות הקוונטיות הבלתי צפויות שנראות לעין על ידי ייצוגים אלה. בדומה לספין של אלקטרון, שניתן לזהות דרך שדה מגנטי, רטט מגנטי חושף תכונות או מבנים מסוימים ב-QFTs שאולי אינם ברורים במבט ראשון".
לפיכך, הם מציעים דרך מעשית לדמיין ולנתח תופעות קוונטיות מורכבות, מה שמאפשר תובנות חדשות על המנגנונים הבסיסיים של העולם הקוונטי.
QFT סופר סימטרי
עבור המחקר הנוכחי, נחקרו מצבי הקרקע היציבים (vacua) – תצורת האנרגיה הנמוכה ביותר שבה אין חלקיקים או עירורים – במגוון של "QFTs סופר-סימטריים". QFTs אלה, עם סימטריית המרחב-זמן המפושטת שלהם, משמשים כסביבת מעבדה, מכיוון שהם דומים למערכות פיזיקליות אמיתיות של חלקיקים תת-אטומיים, אך יש להם תכונות מתמטיות מסוימות המאפשרות חישובים.
זוכה פרס FWF START שפרלינג אמר: "המחקר שלנו עוסק ביסודות ההבנה שלנו בפיזיקה. רק לאחר שהבנו את ה-QFTs בסביבת המעבדה שלנו, נוכל ליישם את התובנות הללו על דגמי QFT מציאותיים יותר". הרעיון של רעידים מגנטיים – אחד מנושאי המחקר העיקריים של פרויקט START של שפרלינג באוניברסיטת וינה – שימש ככלי לספק תיאור גיאומטרי מדויק של הוואק הקוונטי החדש.
Decay & Fission: מנגנון היגס פורש מחדש
עם חישובים המבוססים על אלגברה ליניארית, החוקרים אנטואן בורז'ה (אוניברסיטת פריז סקלי), מרקוס שפרלינג וז'נגאו ז'ונג (אוניברסיטת אוקספורד) הוכיחו כי – בדומה לרדיואקטיביות בגרעיני אטום – רטט מגנטי יכול להתפרק למצב יציב יותר או להתבקע לתוך שני רטט נפרדים. טרנספורמציות אלו מציעות הבנה חדשה של מנגנון Higgs ב-QFTs, אשר מתפרקים ל-QFTs פשוטים יותר או ביקוע ל-QFT נפרדים ועצמאיים.
הפיזיקאי שפרלינג קבע, "מנגנון ההיגס מסביר כיצד חלקיקים אלמנטריים רוכשים את המסה שלהם על ידי אינטראקציה עם שדה היגס, שמחלחל ליקום כולו. חלקיקים יוצרים אינטראקציה עם השדה הזה כשהם נעים בחלל – בדומה לשחיין שנע במים."
חלקיק שאין לו מסה נע בדרך כלל במהירות האור. עם זאת, כאשר הוא מקיים אינטראקציה עם שדה היגס, הוא "נדבק" לשדה זה והופך להיות איטי, מה שמוביל לביטוי המסה שלו. מנגנון היגס הוא אפוא מושג מכריע להבנת אבני הבניין והכוחות הבסיסיים של היקום.
מבחינה מתמטית, אלגוריתם "הדעיכה והביקוע" מבוסס על עקרונות האלגברה הלינארית והגדרה ברורה של יציבות. הוא פועל באופן אוטונומי ואינו דורש כניסות חיצוניות.
התוצאות שהושגו באמצעות שיטות בהשראת הפיזיקה אינן רלוונטיות רק בפיזיקה, אלא גם במחקר מתמטי: הן מציעות תיאור בסיסי ותקף אוניברסלי של המבנים המורכבים, השזורים זה בזה של הוואקום הקוונטי, המייצגים התקדמות משמעותית במתמטיקה.
