Kvantni plin koji se ne raspada u sekundi: fizika je konačno napravila nešto što ne eksplodira

Dvije grupe znanstvenika — jedna iz Nijmegena, druga s Manhattana — objavile su u Scienceu da su uspjele stabilizirati molekularni kvantni plin. Prijevod za ljude koji ne jedu Landaua za doručak: napravili su nešto što se dosad raspadalo brže nego obećanja ministra obrazovanja, i uspjeli su ga održati na životu dovoljno dugo da se od toga može nešto naučiti.

Zvuči kao vijest iz rubrike "znanost napokon radi svoj posao". I jest. Ali iza te rečenice krije se nekoliko stvari koje vrijedi izgovoriti naglas, jer su važnije od same čestice.

Prvo, što je uopće molekularni kvantni plin. Zamislite da uzmete molekule — ne atome, molekule, dakle dva ili više atoma spojenih u komad — ohladite ih na temperaturu na kojoj se sva toplinska galama smrzne, i onda ih pustite da se sudaraju po pravilima kvantne mehanike, a ne po pravilima nogometa. To je ta stvar. Za razliku od atoma, molekule imaju unutrašnjost: rotiraju, vibriraju, imaju energetske razine unutar sebe. To ih čini bogatijima. I krhkijima.

Jer kad se dvije takve molekule sudare, u pravilu se dogodi kemija. Veza pukne, molekula se raspadne, energija se oslobodi, plin se samouništi. To je bio problem desetljećima. Igračka je bila zanimljiva, ali se raspadala u trenutku kad bi je netko dotaknuo. Ekipa iz Radbouda i Columbije našla je način da taj sudar uguši — ne da ga spriječi zakonima fizike, nego da ga okrene protiv njega samoga. Kako točno, u detalje, neću prepisivati iz sažetka; bitno je da je rezultat plin koji traje. I to ne traje kao "traje pet sekundi pa umre", nego traje dovoljno da se na njemu rade mjerenja koja imaju smisla.

Sad, zašto bi to ikoga izvan pet laboratorija na svijetu trebalo zanimati.

Zato što je ovo još jedan komad u slagalici koju nitko nije naručio, a svi je sklapaju. Naime, cijela moderna fizika kondenzirane tvari — ona koja objašnjava zašto vodič vodi, zašto izolator ne vodi, zašto supravodič radi ono što radi i zašto to prestane raditi kad ga ugriješ — počiva na modelima koji su u praksi neizračunljivi. Elektroni u čvrstom materijalu su, u najvećem broju slučajeva, sustav u kojem svaka čestica osjeti svaku drugu, i to jako. Takozvani jako korelirani sustavi. To je fizičarski eufemizam za "ne znamo izračunati, a znamo da je važno".

Dosad su se fizičari snalazili tako da naprave analogiju. Uzmeš hladne atome u optičkoj rešetci, podesiš parametre, i dobiješ simulaciju koja se ponaša kao elektron u nekom egzotičnom materijalu. Kvantni simulator. Nije to računalo u smislu u kojem to marketinški odjel misli kad kaže "kvantno računalo", nego namjenski uređaj koji se ponaša po istim pravilima kao sustav koji proučavaš. Nije kopija. Nije model. To je isti razred problema, preseljen u drugi medij.

Molekularni plinovi su u toj igri zanimljivi jer imaju više "ručki" koje možeš okretati. Atom je lopta. Molekula je lopta koja ima unutarnji motor. Možeš je zavrtjeti, možeš je pobuditi, možeš je natjerati da se ponaša kao da ima dipolni moment i onda je gurati električnim poljem. To znači da možeš konstruirati modele koji su bliži stvarnim materijalima — onima u kojima elektroni nisu samo točke nego imaju spin, orbitalni moment, interakcije koje se ne mogu svesti na jedan broj.

I tu dolazi onaj dio zbog kojeg ovakve vijesti uvijek završe na naslovnici, a onda sljedeći dan nitko ne zna o čemu se radilo. Naime, između "stabilizirali smo plin" i "razumijemo supravodljivost na sobnoj temperaturi" postoji razdoblje od, optimistično, dvadeset godina. Realistično, nikad. I to je u redu, jer znanost ne radi po rasporedu koji postavlja odjel za odnose s javnošću.

Ono što me, priznajem, kod ovakvih stvari iznova zaboli je kontrast između brzine s kojom se fundamentalna fizika kreće i brzine s kojom se, paralelno, prodaje magla. U istom tjednu kad dvoje ozbiljnih timova objavi rad koji pomiče razumijevanje jako koreliranih kvantnih sustava za jedan mali, pošteni korak, negdje drugdje netko podiže rundu od pola milijarde dolara za firmu koja tvrdi da rješava iste te probleme — samo što ima pitch deck, a ne publikaciju. Razlika je u tome što prvi tim neće za tri godine izaći s priopćenjem da je postigao kvantnu prednost, a drugi će to objaviti u utorak, prije podne, na blogu.

Ne treba imenovati nikoga. Svi znaju koji se blogovi pišu u utorak prije podne.

Druga stvar koja se ovdje ne vidi iz sažetka, a bitna je: ovo je posao dviju grupa. Jedna u Nizozemskoj, jedna u New Yorku. To nije slučajno. Eksperimentalna fizika hladnih plinova je jedan od rijetkih znanstvenih sportova u kojem suradnja preko Atlantika funkcionira bolje od suradnje unutar iste zgrade. Ne zato što su fizičari bolji ljudi od, recimo, ljudi u IT-u, nego zato što je oprema skupa, ljudi rijetki, a problem dovoljno težak da nitko ne može sam. Tim od dvadeset ljudi na jednom mjestu je tim u kojem se svađaš oko toga čiji je laser. Tim od dva puta deset, na dva kontinenta, s jasnom podjelom posla, radi. To je organizacijska lekcija koju bi svaki startup koji je potrošio tri godine na međusobnom usklađivanju vizije mogao proučiti besplatno.

Treća stvar: cijena. Nitko u priopćenju ne piše koliko košta jedan ovakav eksperiment. Ne zato što je tajna, nego zato što je odgovor dosadan — skupo je, i to skupo tipa "godišnji proračun jednog srednje velikog fakulteta". Laser, vakuum, magneti, elektronika, ljudi koji znaju rukovati time. To je infrastruktura. Nije to laptop i GitHub. To je laboratorij u kojem se temperatura mjeri u nanokelvinima, a ne u "malo hladnije nego jučer".

I zato je svaki put kad netko kaže da je znanost prespora vrijedno podsjetiti da se znanost ne mjeri u mjesecima nego u generacijama opreme. Ako nemaš laser, nemaš eksperiment. Ako nemaš eksperiment, nemaš podatke. Ako nemaš podatke, imaš teoriju, a teorija bez podataka je filozofija s boljim marketingom.

Ono što je stvarno novo u ovom radu je da su molekule prestale biti jednokratne. Prije je svaki sudar bio kraj. Sad je sudar postao upotrebljiv. To je ista razlika kao između automobila koji se raspadne na prvom ležećem policajcu i automobila koji izdrži do prvog servisa. Nije glamurozno. Nije naslov za naslovnicu. Ali je uvjet bez kojeg nema ničega dalje.

I to je, na kraju, cijela poanta. Znanost napreduje tako da prvo riješi probleme koje nitko izvan struke ne razumije, pa tek onda, možda, za dvadeset godina, dobiješ nešto što možeš kupiti u trgovini. Redoslijed je uvijek isti. Prvo plin koji traje. Onda, jednog dana, ako Bog da i ako proračun izdrži, materijal koji radi. Između toga je pustinja od dvadeset godina, nekoliko generacija doktoranada, i nula konferencija za novinare.

Za razliku od industrije koja obećava kvantna računala svake dvije godine, ovi ljudi su napravili nešto što se može ponoviti u drugom laboratoriju, provjeriti, i na što se može nadograditi. To je jedina valuta koja u znanosti ne devalvira.

Ako te zanima zašto elektroni u nekim materijalima rade stvari koje ne bi smjeli — a zanima te, jer ti od toga jednog dana ovisi struja u utičnici — onda je ovaj plin korak. Mali. Dosadan. Neophodan.

Kvantna mehanika neće nikoga spasiti ovog tjedna. Ali je konačno prestala sama sebe uništavati pri prvom kontaktu.

Izvor: phys.org