Kaip Žemėje ištirti globalius Visatoje vykstančius procesus?

Gautas rezultatas rodo, kad galima atlikti tyrimus tokių reiškinių, kurie yra arba labai dideli, arba juos būtų nepraktiška atlikti laboratorijos sąlygomis, pasakė Čengas Činas (Cheng Chin), kuris yra Čikagos universiteto fizikos profesorius. Jo straipsnis kartu su bendraautorių grupe yra atspausdintas „Nature“ žurnalo vasario mėnesio numeryje. Atliktas eksperimentas patvirtina dviejų plačiai diskutuojamų mokslo pasaulyje prielaidų teisingumą: mastelio invariantiškumą bei universalumą.

Čino tikslas yra išnagrinėti ypatingai aukštos temperatūros sąlygas, kurios buvo būdingos ankstyvajai Visatai po Didžiojo sprogimo. Jis savo tyrime planuoja panaudoti ypač šaltą vakuumo kamerą.

1997 metais fizikas teoretikas Levas Pitaevskis iškėlė idėją, kad mastelio invariantiškumas turi galioti šaltų atomų dviejų matmenų dujų modeliui. Mastelio invariantiškumas reiškia, kad nagrinėjamas reiškinys bus būdingas medžiagai nepriklausomai nuo to, kokio dydžio ji bus. Tai stipriai skiriasi nuo reiškinių, stebimų mūsų kasdieniniame gyvenime, kuris egzistuoja trijų matmenų pasaulyje.

Biologiniame pasaulyje, mastelio invariantiškumas nėra pritaikomas sudėtingiems organizmams, tokiems kaip žmonės. Tačiau jis yra stebimas paprastose biologinėse struktūrose, pavyzdžiui, moliuskų kriauklelėse, paparčiuose ar netgi brokoliuose. Fizikoje žinomi atskiri atvejai, kai egzistuoja mastelio invariantiškumas. Gamtoje stebima fraktalinė struktūra išlieka tokia pati nepriklausomai nuo to ar mes ją didinsime dešimt, tūkstantį ar milijoną kartų.

„Gamtoje egzistuoja tik kelios sistemos, kurioms būdinga ši savybė. Mes parodėme, kad mūsų dviejų matmenų sistema priklauso šiai specialiai klasei, – paaiškino Činas. – Kai tik nustatomi šie specialūs atvejai ir išnagrinėjama, kaip jie tarpusavyje susiję, galima visus jiems būdingus fizikinius reiškinius sutalpinti po vienu skėčiu. Visi jie gali būti paaiškinti ir aprašyti naudojant vieną kalbą“.

Universalumo koncepcija pritaikoma medžiagai, kuri patiria tolygius fazinius virsmus. Kasdienio gyvenimo fizikoje fazinis virsmas vyksta vandeniui šąlant į ledą šaltą žiemos dieną. Atliktame eksperimente fazinis virsmas yra daug egzotiškesnis – cezio atomai iš dujinės būsenos pereina į supertakią būseną. Supertaki būsena egzistuoja tik temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui.

Fizikai teoretikai dar 1970 metais numatė, kad silpnai sąveikaujančios dviejų matmenų dujos turi pasižymėti panašiu elgesiu įvairiomis sąlygomis, kai jos artėja prie fazinio virsmo kritinio taško. Jų hipotezė nebuvo patikrinta iki pat šių dienų.

Čikagos universiteto mokslininkai atšaldė tūkstantį cezio atomų iki ypatingai žemos temperatūros. O tada patalpino juos į keptuvės formos lazerio gaudyklę. Gaudyklė sukūrė dviejų matmenų sistemą, neleisdama atomams judėti vertikalia kryptimi, nors jie turėjo visišką horizontalaus judėjimo laisvę. Čino grupė galėjo kontroliuoti šių šaltų atomų dujų savybes, sudarydama sąlygas, kai jie tarpusavyje nesąveikauja, silpnai sąveikauja arba tarp jų yra stipri sąveika. Įvairiomis sąlygomis gauti rezultatai buvo palyginti tarpusavyje.

„Tuo pačiu metu mes galime sukurti dviejų matmenų skirtingų dydžių sistemas įvairiose temperatūrose“, – pasakė Činas. Sistemos dydis kito nuo dešimties iki šimto mikronų. Tuo tarpu žmogaus plauko diametras yra penkiasdešimt mikronų. Temperatūros intervalas sudarė nuo dešimties iki šimto nanokelvinų.

Eksperimentuotojai pademonstravo, kad, nepriklausomai nuo šių trijų parametrų (sąveikos stiprumo, sistemos dydžio bei temperatūros) reikšmių, atomų dinamikai aprašyti reikalingas vienas dydis.

„Labai tikėtina, kad mastelio invariantiškumas gali būti ekstrapoliuotas (pratęstas) ir fundamentaliame lygyje pritaikytas kitoms dviejų matmenų sistemų rūšims nagrinėti, – pasakė Činas. – Svarbesnis klausimas, kuris lieka neatsakytas, yra ar tai galioja sudėtingesnėms sistemoms. Todėl tolesnis mūsų žingsnis bus išnagrinėti, kas slypi toliau už dviejų matmenų sistemų“.