แม่เหล็กขั้วเดียวโผล่ออกมาในส่วนผสมแช่แข็ง

การทดลองจำลองอนุภาคแม่เหล็กที่แสวงหาระยะยาวนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เห็นพ้องต้องกันว่าบางแห่งที่ซุ่มซ่อนอยู่ในจักรวาลคือแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วเพียงขั้วเดียว—เหนือหรือใต้ แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่าง นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เคยเห็นสิ่งใดมาก่อน แต่การทดลองใหม่ได้นำเสนอภาพรวมที่ไม่เคยมีมาก่อนว่าอนุภาคแม่เหล็กที่เข้าใจยากเหล่านี้ควรมีลักษณะอย่างไร

David Hall นักฟิสิกส์จาก Amherst College ในรัฐแมสซาชูเซตส์ กล่าวว่า “เป็นการเปิดหน้าต่างให้เห็นฟิสิกส์ของอนุภาคโดยไม่ต้องให้อนุภาคอยู่ตรงหน้าคุณ

แม่เหล็กดูเหมือนจะมาในรูปแบบเดียวเท่านั้น 

โดยมีสองขั้วเหมือนแท่งแม่เหล็ก แต่ในปี 1931 Paul Dirac นักฟิสิกส์เจ้าของรางวัลโนเบลได้สาธิตทางคณิตศาสตร์ว่าแม่เหล็กขั้วเดียวหรือที่รู้จักในชื่อโมโนโพลสามารถดำรงอยู่ได้ เหตุผลทางคณิตศาสตร์ของเขาแข็งแกร่งมากจนนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีข้อสงสัยเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับการมีอยู่ของโมโนโพล แม้ว่าจะมีการค้นหาพวกมันที่ CERN และสถาบันชั้นนำอื่นๆ อย่างไร้ผลเป็นเวลาหลายทศวรรษ

Hall ไม่ค่อยคิดเกี่ยวกับ monopoles จนกระทั่งปี 2009 เมื่อเขาอ่านบทความที่เสนอวิธีจำลองสิ่งหนึ่งในห้องทดลอง สูตรนี้เรียกว่าคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นสถานะของสสารที่แปลกใหม่ซึ่งเกิดจากการทำให้ก๊าซเย็นลงเป็นพันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ที่อุณหภูมิสุดขั้วนั้น อะตอมหลายแสนอะตอมสามารถทำงานรวมกันเหมือนอนุภาคเดียว ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองกระบวนการควอนตัมในขนาดที่ใหญ่ขึ้นได้

ในการปฏิบัติตามสูตรสำหรับโมโนโพลเทียม ฮอลล์และทีมของเขาต้องจัดการอะตอมรูบิเดียมของคอนเดนเสท ซึ่งแต่ละอะตอมทำหน้าที่เหมือนเข็มเข็มทิศ นักวิจัยได้เปิดอะตอมให้สัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นมาอย่างพิถีพิถัน ซึ่งทำให้เข็มของเข็มทิศปรับทิศทางตัวเองไปยังจุดเดียวในอวกาศ ราวกับว่ามีคนวางแม่เหล็กขั้วโลกเหนือที่แยกออกมาไว้ที่นั่น นักวิจัยให้รายละเอียดการค้นพบ ในวัน ที่30 มกราคมธรรมชาติ Wolfgang Ketterle นักฟิสิกส์ของ MIT ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2001 จากการสาธิตการควบแน่นของ Bose-Einstein กล่าวว่า “เป็นเอกสารที่ดีมาก”

Hall เน้นย้ำว่าการสร้างของเขาเป็นการจำลองของ monopole: ไม่มีอนุภาคทางกายภาพที่โมโนโพลดูเหมือนจะเป็น แต่เขาบอกว่าการทดลองนี้เปิดโอกาสให้นักฟิสิกส์ได้สำรวจสิ่งที่เรียกว่า quasiparticle ซึ่งอย่างน้อยก็ในทางคณิตศาสตร์ ประพฤติตัวเหมือนกับที่ Dirac ทำนายว่าโมโนโพลจะเกิดขึ้นเมื่อ 83 ปีก่อน “เราตระหนักดีถึงแนวความคิดของ Dirac ว่าโมโนโพลแม่เหล็กควรเป็นอย่างไร และแนวคิดของเขาคือมาตรฐานทองคำ” Hall กล่าว

Hall คาดหวังให้นักฟิสิกส์คนอื่นๆ จำลองการทดลองของเขาและจำลองว่าโมโนโพลเทียมมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่นๆ อย่างไร การทดลองดังกล่าวสามารถให้เบาะแสว่าแม่เหล็กโมโนโพลที่แท้จริงสามารถเปิดเผยตัวเองได้อย่างไรในธรรมชาติ 

ในการทดลองจริง 

ความสัมพันธ์ระหว่างความรู้เส้นทางและการรบกวนนั้นซับซ้อนจากการมีอยู่ของสิ่งแวดล้อม คุณไม่ต้องการที่จะคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่บ้าน แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือคุณสามารถมีการทดลองที่นำเสนอทั้งความน่าจะเป็นสูงในการทำนายเส้นทางและความน่าจะเป็นสูงที่จะสังเกตการรบกวน คุณสามารถเลือกที่จะวัดส่วนของสภาพแวดล้อมด้วยข้อมูลที่ดีที่สุดเกี่ยวกับเส้นทางหรือส่วนหนึ่งของสภาพแวดล้อมที่มีการมองเห็นขอบรบกวนสูงสุด แต่ในการทดสอบความเป็นคู่ คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการวัดของคุณมีความละเอียดอ่อนเท่ากันกับสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดของระบบ (ข้อกำหนดที่เรียกว่า “การสุ่มตัวอย่างที่ยุติธรรม”) Bolduc, Boyd และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าการทดลองในปี 2012 ละเมิดกฎการสุ่มตัวอย่างที่ยุติธรรม

“เราแสดงให้เห็นว่าการสุ่มตัวอย่างแบบมีอคติสามารถทำให้เกิดการละเมิดหลักการความเป็นคู่ได้อย่างไร” พวกเขาเขียนไว้ในPNAS “จากการวิเคราะห์ของเรา หลักการความเป็นคู่ในรูปแบบมาตรฐานนั้นปลอดภัยและเชื่อถือได้”

สิ่งกีดขวางคือความเชื่อมโยงที่น่ากลัวระหว่างอนุภาคที่แยกจากกันซึ่งรบกวน Einstein อย่างมาก อย่างใดการวัดอนุภาคคู่หนึ่งส่งผลต่อสิ่งที่คุณจะพบเมื่อคุณวัดอนุภาคที่อยู่ห่างไกลออกไปหรือดูเหมือนว่า แต่ “ความพัวพัน” นี้เป็นผลที่ชัดเจนของฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับอนุภาคที่มีต้นกำเนิดหรือปฏิสัมพันธ์ร่วมกัน มันนำไปสู่ปรากฏการณ์แปลก ๆ บางอย่าง แต่ทั้งหมดนี้สมเหตุสมผลมากในทางคณิตศาสตร์ ตามที่อธิบายโดย “สถานะควอนตัม” อนุภาคพัวพันอยู่ในสถานะควอนตัมเดียว

สถานะควอนตัมกำหนดนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ (เรียกว่าฟังก์ชันคลื่น) ที่สามารถใช้ทำนายผลลัพธ์ของการวัดอนุภาคได้ เช่น ทิศทางที่มันหมุนจะชี้ขึ้นหรือลง เป็นต้น เมื่ออธิบายอนุภาคหลายตัว เช่น ในวัสดุที่แสดงคุณสมบัติของควอนตัม เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวด สถานะควอนตัมอาจซับซ้อนมาก การรับมือกับพวกมันทำได้ง่ายขึ้นโดยการวิเคราะห์เครือข่ายการพัวพันระหว่างอนุภาคจำนวนมากเหล่านั้น และรูปแบบของการเชื่อมต่อเครือข่ายดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้เมตริกซ์

นักฟิสิกส์ Román Orús เขียนไว้ในบทความล่าสุดที่โพสต์ที่ arXiv.org “เครือข่ายเทนเซอร์เป็นตัวแทนของสถานะควอนตัมหลายตัวของสสารตามโครงสร้างพัวพันในท้องถิ่น “ในทางหนึ่ง เราสามารถพูดได้ว่าเราใช้การพัวพันเพื่อสร้างฟังก์ชันคลื่นหลายตัว”