Kvantumok birodalma: valóban léteznek a misztikus kvázi részecskék?

Az atomot felépítő jól ismert részecskékről, mint például a protonról, vagy az elektronról a magfizika hajnalán még azt feltételezték, hogy ezek lehetnek az anyag legkisebb és ezért már tovább nem is osztható alkotórészei. A kvantumok birodalma ennél azonban sokkal összetettebb világ. A kvantumfizika ugyanis feltárta, hogy a részecskék mikrokozmoszában minden sokkal viszonylagosabb és kevésbé egyértelmű, mint az univerzum nagyobb léptékű világában. Kiderült, hogy az atommagot felépítő részecskék is kisebb anyagi egységekre bonthatók és az egyre fejlettebb mérési módszereknek köszönhetően az elemi részecskék száma folyamatosan gyarapodni kezdett. Az elemi részecskéknek egy olyan nehezen megfogható csoportját is felfedezték, amit kvázi részecskék elnevezéssel illettek a magfizikusok. Önként adódó kérdés, hogy ezek az elnevezésük szerint „kvázi” részecskék egyáltalán mennyiben tekinthetők létezőknek, illetve valódi részecskéknek?

Az elemi részecskék világában sok megdöbbentő jelenséggel találkozhatunk Forrás: Phys.org

Louis de Broglie  francia fizikus fedezte fel, hogy az elektrom hullámként is viselkedhet  Fotó: Agence Rol  / Wikimedia Commons

A részecskéknek ez a klasszikus képe azonban alaposan megváltozott az 1920-as évektől, a kvantumfizika térhódításától kezdve, ami feltárta, hogy az univerzum a legkisebb szintjein igencsak homályossá válik. Így például Louis de Broglie Nobel-díjas francia fizikus már 1924-ben kimutatta, hogy az olyan részecskék, mint az elektronok, nem csak részecskeként, hanem hullámként is viselkedhetnek.

Nem létezhetnek önmagukban

A modern fizika azt sugallja, hogy olyan mezőkben, amelyek áthatják az egész univerzumot, a részecskék egy kicsit ahhoz hasonlóak, mint a víz fodrozódása egy tóban – mondja Ross McKenzie, elméleti fizikus, a Queenslandi Egyetem emeritus professzora. Minden részecsketípusnak megvan a saját megfelelő mezője. Például a fény fotonjai az elektromágneses mező fodrozódásai. A részecskék kvantumtermészete azt jelenti, hogy nemcsak az üres vákuumban, hanem az anyagban is képesek hullámszerűen tovaterjedni.

Egy atommag és elektronfelhője  Fotó: Wikimedia Commons

 Így például a fotonok átsuhanhatnak az átlátszó és az áttetsző anyagokon, az elektronok pedig az elektromos vezetékekben áramolhatnak. Ha egy standard részecskét, például az elektront az anyagban mozgó fodrozódásként értelmezzük, akkor másfajta gerjesztéseket is el tudunk képzelni az anyagon belül.

A tizenkét alapvető anyagi részecskét, vagyis fermiont három családba sorolhatjuk, amelyek mindegyikének négy tagja van. Ezek közül hat részecske kvark, hat pedig lepton. Ez utóbbiból három neutrinó, míg a további három részecske pedig az elektron, a müon és a tau -lepton.

Ezek a más típusú fodrozódások az úgynevezett kvázi részecskék. 

A houstoni Rice Egyetem kondenzált anyag fizikusa e mechanizmus lényegét egy szemléletes példával illusztrálja. „Gondoljunk például egy sporteseményen a szurkolók által keltett »hullámra«. Láthatjuk, ahogyan ez tova terjed a futballstadionban; mivel van helye és sebessége is” – mondja Douglas Natelson. „Ez (a hullám) azonban csak a stadionon belül létezik, és az összes interakcióban lévő szurkoló kollektív reakciójából tevődik össze” -fűzi hozzá. 

„Ugyanígy a kvázi részecskék is csak valamilyen közegben vagy anyagban létezhetnek, mivel az adott anyag alkotóelemeinek vagy építőelemeinek a válaszából épülnek fel, ezzel szemben az olyan részecskék, mint az elektronok és a protonok a szabad térben is létezhetnek” -hangsúlyozza a fizikus. A kvázi részecskék nem létezhetnek vákuumban, és önmagukban sem, mert a létezésük a részecskék együttműködésétől és attól az anyagtól függ, amelyben létrejöhetnek. 

A kvázi részecskék nem létezhetnek önmagukban  Fotó:  agsandrew  / Live Science

Ross McKenzie megjegyezte, hogy a kvázi részecskékkel kapcsolatban inkább filozófiai kérdés az, hogy vajon valóságosak-e. Végül is a „kvázi” latinul azt jelenti, hogy „szinte”. 

Amíg a standard elemi részecskék a vákuumban elszigetelten létezhetnek, ezzel szemben a kvázi részecskéknek sok kölcsönható részecskére van szükségük ahhoz, hogy létezhessenek – hangsúlyozza McKenzie. „Mégis azt mondanám, hogy a kvázi részecskék minden szempontból ugyanolyan valóságosak, mint a standard részecskék, abban az értelemben, hogy kimutathatók és manipulálhatók” -fűzi hozzá a Rice Egyetem kutatója.

Nobel-díjat ért a kvázi részecskék megjóslása

A kvázi részecskék koncepciója az 1950-es évekből Lev Landau elméleti fizikustól származik, amiért Landau 1962-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. 

A mikrokozmosz még sok megválaszolatlen kérdést rejt   Fotó: Koto Feja/Getty Images / Live Science

A tudósok mára több tucat kvázi részecske-típus létezését feltételezik, beleértve a következőket:

• a fonon, ami a hang kvázi részecskéje – a legkisebb rezgési energiacsomag, amely az anyagban a hangot alkotja,
• az elektronlyuk, az a pozitív töltésű üresedés, ami akkor marad vissza, amikor az elektron elhagyta eredeti helyét,
• az elektron kvázi részecske, ami lényegében egy elektronból és a környezetével való kölcsönhatásokból áll. Ez azt jelenti, hogy az elektron kvázi részecske mozgásához nagyobb energiára van szükség, így gyakorlatilag nagyobb tömeggel rendelkezik, mint egy hagyományos elektron,
• az exciton kvázi részecske, ami egy elektronból és a körülötte keringő elektronlyukból áll,
• az anyon, egy eddig csak kétdimenziós rendszerekben látott kvázi részecske, amely feltehetőleg csak az elektromos töltés töredékét hordozza.

„De hányféle kvázi részecske létezhet?” – teszi fel a kérdést Ross McKenzie. „Ahogyan az anyagnak végtelen számú lehetséges halmazállapota létezik, úgy azt mondanám, hogy elvileg végtelen számú és típusú kvázi részecske is létezhet” – magyarázza a Queenslandi Egyetem emeritus professzora. 

Az elemi részecskék áttekintése az egymásra gyakorolt hatásuk, illetve elméleteik szempontjából  Fotó: Duke83 / Wikimedia Commons

A tudósok az anyagban zajló aktivitást kvázi részecskékként írják le, „mert ez drámaian leegyszerűsít mindent” – mondja Ross McKenzie. Douglas Natelson ugyanebben a szellemben úgy véli, hogy „a szilárd anyagok fizikai jelenségei mögött meghúzódó matematikai összefüggéseket nagyon gyakran jól leírják a kvázi részecskék”.

A kvantumfizika világában a legnagyobb képtelenség is valósággá válhat

A kutatók jellemzően kvázi részecskék, például elektronlyukak és excitonok formájában írják le az elektronikus eszközökben lévő elektromosság viselkedését. Összességében a kvázi részecskék valóságosságának kérdésére adott válasz tulajdonképpen értelmezés kérdése. 

Ha az a kérdés, hogy egy kvázi részecske olyan standard elemi részecske-e, mint például az elektron, akkor a válasz nemleges, 

mert nem létezhetnek önmagukban, és azoktól az anyagoktól függenek, amelyekben megnyilvánulnak. 

Az elemi részecskék, illetve a kavntumfizika világában minden relatív makrovilág törvényszerűségeihez képest   Fotó: Live Science

Ha azonban úgy tesszük fel a kérdést, hogy a kvázi részecskék valódi jelenségeknek tekinthetők -e, akkor már igen a válasz, mert ezek olyan dolgok, amelyeket a tudósok meg tudnak mérni, és amik részecskékként viselkednek, továbbá gyakorlatilag ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, mint más elemi részecskék. A kvantumfizika birodalmában végül is szinte semmi sem lehetetlen, és ami a makrovilágban képtelenségnek tűnik, az itt maga lehet a megtestesült valóság.