Fizičari možda nisu ujedinjeni u uvjerenju kako je teorija struna održiva teorija svega, ali mnogi se slažu kako teorija struna otvara novu perspektivu u pogledu na neke fenomene fizike koje je dosad bilo dosta teško objasniti.
U posljednjem desetljeću, fizičari su uz pomoć teorije struna uspjeli povezati kvantnu i gravitacijsku mehaniku. poznatu i kao baždarno-gravitacijska dualnost. Tim fizičara s MIT-a, pod vodstvom Hong Liua i John McGreevyja, uz pomoć te veze opisao je specifičan fenomen fizike: ponašanje jednog tipa visokotemperaturnih supravodiča (materijala koji provodi električnu struju uz zanemariv otpor). Istraživanje objavljeno 5. kolovoza na internetskom izdanju znanstvenog časopisa Science jedno je od prvih koje pokazuje kako se uz pomoć baždarno-gravitacijske dualnosti može bolje razumjeti zagonetno ponašanje dotičnog materijala.
Dosad je tim opisao neke aspekte ponašanja određenog tipa supravodljivih materijala pod nazivom kuprati. Ipak, znanstvenici se nadaju kako će njihov rad dovesti do općenitih teorija koje bi mogle opisati i predvidjeti ponašanje drugih materijala. „To je naš krajnji teoretski cilj kojeg, iskreno, još nismo dostigli“, navodi Liu. Kao autori objavljenog članka navode se: Nabil Iqbal (student MIT-a) te Thomas Faulkner i David Vegh (oboje su nedavno doktorirali).
Godine 1986. fizičari su otkrili kako kuprati (keramički spojevi koji sadrže bakar) pokazuju svojstvo supravodljivosti na relativno visokim temperaturama (i do 135 stupnjeva Celzijusa iznad apsolutne nule). Na atomskoj razini, kuprate svrstavamo u sustave više atoma u kojima golem broj elektrona može djelovati jedan na drugoga. Uobičajeno se takvi sustavi opisuju kvantnom mehanikom. Ipak, unatoč svemu, fizičari su teško opisivali prirodu kuprata. Naime, svojstva kuprata drastično se razlikuju od ostalih materijala. Kada bi fizičari mogli potpuno razumjeti prirodu kuprata, mogli bi i pronaći nove materijale koji bi pokazivali svojstvo supravodljivosti i pri mnogo višim temperaturama. Te bi se nove materijale moglo primijeniti na gotovo bezbroj načina.
Za razliku od mnogih materijala, kuprati ne podilaze Fermijevim zakonima. Radi se o nizu kvantno-mehaničkih principa koji određuju ponašanje materijala na mikroskopskoj razini i to na izuzetno niskim temperaturama (u blizini apsolutne nule tj. -273 stupnja Celzijusa). Suprotno predviđanjima, kuprati postaju supravodiči. Tik iznad temperature na kojoj nastupa stanje supravodljivosti, kuprati ulaze u stanje koje se naziva i „stanje čudnog metala“.
Kroz ovo su se istraživanje znanstvenici usredotočili na dva svojstva po kojima se ovi materijali razlikuju od Fermijevih tekućina. U standardnim Fermijevim tekućinama i električna otpornost i stupanj raspršenja elektrona (defleksije od predviđene putanje zbog međudjelovanja s drugim elektronima) proporcionalni su s kvadratom temperature. „Uistinu ne postoji teorija koja bi mogla objasniti takvu ovisnost“, ističe Liu.
Pomoću baždarno-gravitacijske dualnosti – veze između kvantne i gravitacijske mehanike – tim s MIT-a uspio je identificirati sustav koji je imao neobična svojstva jednaka „čudnim metalima“, ali koji se mogao opisati gravitacijskom mehanikom. Za taj je sustav korišten model gravitacijskog sustava s crnom rupom. „Radi se o matematičkoj apstrakciji za koju se nadamo kako će pomoći u boljem razumijevanju fizike realnog sustava“, objašnjava Liu. U svom modelu mogu proučavati ponašanje sustava na visokim i niskim energijama. Energije sustava određuju se usporedbom energije ekscitacije jednog elektrona i prosječne energije elektrona u sustavu. Na kraju ispada kako pri niskim energijama model s crnom rupom iskazuje mnoga neobična svojstva jednaka kupratima.
Na primjer, kada se ekscitira elektron najniže moguće energije, bilo fotonom, bilo nekom drugom česticom, u oba sustava opažamo kako rezultantno međudjelovanje između elektrona i praznine koju je ostavio za sobom ne možemo opisati kvazi-česticom (što je uobičajeno kod metala) jer pobuđenje elektrona prekratko traje. Razlog tomu je proporcionalna ovisnost stupnja raspršenja elektrona i temperature. Nadalje, električna otpornost sustava s crnom rupom izravno je proporcionalna s temperaturom – baš kao i kod kuprata.
Baždarno-gravitacijska dualnost predstavlja „mapu“ poveznica između modela s crnom rupom i „čudnih metala“. Stoga, jednom kada fizičari izračunaju odlike modela, te vrijednosti mogu prevesti u model „čudnih metala“ uz pomoć opće teorije relativnosti. Evo primjera: vrijednost elektromagnetskog polja u gravitacijskom sustavu odgovara gustoći elektrona u kvantnom sustavu. Fizičari su dosad koristili baždarno-gravitacijsku dualnost za opisivanje svojstava plazme kvarkova gluona, „vruće juhe“ elementarnih čestica koja je postojala u prvom milijuntom djeliću sekunde nakon Velikog praska. Ipak, ovo je prvi put da je netko pokušao iskoristiti baždarno-gravitacijsku dualnost za opis kondenzirane tvari (u kondenzirane tvari spadaju tekućine i krutine).
Tim s MIT-a vjeruje kako bi ovaj pristup mogao pomoći u boljem razumijevanju prirode grupe rijetkih metalnih spojeva poznatih kao teški fermionski metali. U teškim fermionskim metalima elektroni se ponašaju kao da su im mase od 100 do 1000 puta veće nego li u standardnim metalima. Uz to, ponašaju se slično kao i kuprati u fazi „čudnih metala“.
Izvor: Massachusetts Institute of Technology
NEVA BULOVEC
Komentari