Кольца Борромео (слева) - один из примеров соединения Брунна (Brunnian link), удаление любого элемента которого ведет к высвобождению всех других элементов. Кольца Брунна (справа) - другой пример такого соединения.
Исследование на границе топологии и квантовой механики предполагает существование совершенно новой формы материи.
Еще в 1970 году молодой советский физик сделал необычное предположение. Виталий Ефимов, который в настоящее время работает в Университете штата Вашингтон (США), показал, что квантовые объекты, которые не могут образовывать между собой пары, могут формировать тройки.
В 2006 году группа австралийских ученых обнаружила первый пример этого так называемого «состояния Ефимова» в холодном газе, состоящем из атомов цезия.
На первый взгляд это может показаться нелогичным. Ведь связи, удерживающие вместе тройку объектов, точно такие же, как и в паре. Но на самом деле это не так, между ними существует тонкое, но важное различие.
Сегодня Нильс Баас (Nils Baas) из Норвежского университета естественных и технических наук сделал другое смелое предсказание. Он утверждает, что странные связи, удерживающие вместе тройки атомов цезия, могут сформировать и более сложные структуры. Мы на грани открытия новой формы вещества, подчиняющейся незнакомой нам области физики, говорит Баас.
Состояние Ефимова аналогично топологии колец Борромео. Но петли, образующие соединение Брунна, могут формировать и более сложные структуры...
За столь необычными выводами стоит исследование в области топологии – науке о форме. К вопросам, изучаемым топологией, относятся, в частности, свойства структуры объекта, которые сохраняются при его растяжении, сжатии, изгибе – но не разрушении.
Показательный пример – фигура, известная как «кольца Борромео». Она состоит из трех кругов, переплетающихся таким образом, что при удалении любого из них два других окажутся расцепленными.
Ключевой момент здесь состоит в том, что круги на плоскости не могут стать кольцами Борромео. Но стоит ввести третье измерение – и мы получим эту фигуру. При этом гипотетический «плоский наблюдатель», живущий в двумерном пространстве, будет немало озадачен этим свойством.
Более того, между кольцами Борромео и структурой троек атомов цезия, предсказанной Ефимовым, существует формальная математическая аналогия. Математические формулы, описывающие квантовую механику состояния Ефимова и топологию колец Борромео, практически одинаковы.
Хотя обычное вещество, по которому вы можете постучать костяшками пальцев, явно ограничено обыденным 3D, математика квантовой механики оперирует совершенно другим набором измерений. И в этом непостижимом пространстве и формируется аналогия колец Борромео. В результате можно говорить о некоей «параллельной» физике, законы которой оказывают неизбежное влияние на мир, в котором мы живем. И это воздействие проявляется не только на уровне связей между атомами. Физики создают проводники и изоляторы, движение электронов в которых определяется топологией квантовой механики. Так называемые топологические изоляторы сегодня открывают широкие горизонты перед учеными и инженерами.
... и еще более сложные структуры...
И если прогнозы Бааса верны, это только самое начало. По мнению ученого, кольца Борромео – лишь простейший пример из целого ряда топологических структур. Если возможно состояние Ефимова, эквивалентное кольцам Борромео, то можно реализовать и аналоги других, более сложных, структур. Такая материя будет пребывать в необычном состоянии, и её поведение будет описываться законами новой «физики Ефимова».
Как будет вести себя такое вещество? Пока этот вопрос остается без ответа, но Баас предполагает несколько интересных возможностей. Взаимосвязь между частицами в состоянии Ефимова очень похожа на квантовую запутанность. Никто не может сказать наверняка, что это одно и то же, но если речь действительно идет о новом виде квантовой запутанности, то это будет иметь важные последствия для криптографии, квантовых вычислений и информатики в целом.
Лауреат Нобелевской премии по физике Мюррей Гелл-Манн однажды заметил, что «Все, что не запрещено – является обязательным». Он имел ввиду способы взаимодействия частиц в квантовой механике: если нет никакой причины, по которой частицы не могут взаимодействовать определенным образом, то они должны так взаимодействовать. Возможно, теория Бааса раскрывает всю глубину этого утверждения.
