”Det handler i sidste ende om at kunne forudsige alt” – teori kan vise vej til forjættede kvantematerialer

På yderkanten af den teoretiske fysik undersøger Berislav Buca det næsten umulige med ”eksotisk” matematik. Hans seneste teori er ingen undtagelse. Ved at gøre det muligt at beregne dynamikken - dvs. bevægelser og interaktioner - i systemer med selv enorme antal kvantepartikler har den vækket noget til live, som ellers var helt afskrevet i fysikken. En umulighed gjort mulig.

En sælsom hvid kat pryder illustrationerne af Bucas forskning. Katten Pulci er hans opmærksomheds-fangende muse. Pile igennem kattens krop illustrerer den kvantemekaniske oprindelse til den legende kats bevægelser - og det er netop det forhold, som Buca forsøger at forstå ved at gøre det muligt at beregne de mindste partiklers dynamik.

Gennembruddet har vækket et gammelt og helt grundlæggende videnskabeligt spørgsmål til live: Hvis alt opførsel i universet teoretisk set kan beregnes ud fra fysikkens love, ved at regne på de mindste partikler, kan vi så forudsige alt?  

”Mange discipliner i fysikken handler i sidste ende om, at ville forklare og forudsige verden, ved at forstå fysikkens love og beregne de mindste partiklers opførsel. Sådan ville vi nemlig, i princippet kunne besvare ethvert muligt spørgsmål, om hvordan alverdens ting opfører sig, hvis vi var i stand til det,” siger Berislav Buca fra Niels Bohr Institutet og tilføjer:

”Adfærden af ​​alt i universet kan i princippet forstås ud fra de mikroskopiske love, der styrer partiklernes dynamik,” siger han, men skynder sig at mane til besindighed.

”Det kan jeg dog ikke,” lyder det klukkende fra teoretikeren.

En teoretisk genvej undgår djævlen i detaljen

Kvantepartiklernes interaktioner og bevægelser i deres systemer er så komplekse, forklarer forskeren, at selv verdens kraftigste supercomputer kun er i stand til at regne på et dusin af disse partikler ad gangen.

Samtidigt består ét enkelt atom af mindst to kvantepartikler, og ét enkelt sandkorn af omkring 50 milliarder gange en milliard atomer - for slet ikke at tale om én kat eller noget tredje, man kunne ønske forstå i vores univers.

”Så i praksis er det ikke muligt, i dag. Min teori er dog et væsentligt skridt i den rigtige retning, fordi den skyder en slags matematisk genvej til at forstå helheden af en bred klasse af systemer med mange kvantepartikler, uden at regnekraften fortaber sig i detaljerne. Det vil sige, uden at det er nødvendigt at regne på alle de enkelte partikler i systemet,” forklarer Berislav Buca

Teorien har allerede har gjort sig bemærket ved at give det første matematiske bevis for en længe holdt hypotese i teoretisk fysik.

Den såkaldte eigenstate-termiliserings hypotese har hidtil været en antagelse – et kvalificeret gæt - i fysikken, som ikke var forklaret matematisk, og drejer sig netop om matematikkens evne til at beskrive bevægelserne af kvantesystemer som helheder.

Hans teori har dermed allerede demonstreret sin værdi som teoretisk grundforskning, og gjort, hvad teoretikere længe havde troet umuligt. Men hvor resultaterne lige nu mest interesserer fysikkens kloge hoveder, så kan konsekvenserne blive store for os alle.

Et kompas til det kvantemekaniske skattekort

Den viden kan ende med at vise vejen til kvantematerialer med så unikke egenskaber, at de potentielt kan ændre vores verden.

Disse kvantematerialer er en forudsætning for få kløerne i nogle af de allerstørste videnskabelige ”fugle på taget,” – fx stabile kvantecomputere eller sågar superledere, der fungerer ved stuetemperatur.

”Der ledes efter et materiale til kvantecomputere, som kan modstå entropien – en naturlov, der gør, at komplekse systemer - fx materialer - forfalder til mindre komplekse former. Entropien dræber nemlig den, sammenhængskraft, som er central for at kvantecomputere kan virke,” forklarer Berislav Buca

De eksotiske systemer, som oprindeligt inspirerede Berislav Buca og således gjorde hans forskningsgennembrud muligt, kan faktisk være lige det kvantecomputeren mangler for virkelig at blive brugbar.

”De såkaldte qubits, som kvantecomputeren teoretisk set fungerer med, skal være i superposition for at fungere, så de populært sagt både er tændt og slukket på en gang. Det kræver, at de stabilt kan være i en kvantetilstand, men termodynamikken bryder sig ikke om de strukturer, det hidtil har krævet af materialerne. Min teori kan muligvis fortælle os, om de her eksotiske systemer kan være en måde at strukturere det på, så det lader sig gøre mere permanent,” siger Berislav Buca.

Metoden fungerer lidt som vejkort, der kan guider forskerne gennem et enormt landskab af mulige materialer, fordi den muliggør forudsigelser af, hvordan disse materialer vil opføre sig under eksperimentelle forhold. Det giver for første gang forskerne en måde at målrette deres søgen efter kvantematerialer med særlige egenskaber.

”Ind til nu har den søgen efter disse materialer været styret af tilfældigheder, men mine resultater kan for første gang give et styrende princip at navigere ud fra, når man søger efter særlige egenskaber i de her materialer, siger Berislav Buca.

*

FYI: Ikke første kat i fysikkens frontlinje

Det ikke er første gang i fysikkens historie, at en kat stjæler rampelyset i forbindelse med teoretiske gennembrud i fysikkens verden. Schrödingers berømte kat i en boks var både død og levende på samme tid, som en analogi til superposition. Så langt rækker slægtskabet ikke med Pulci, der i den betragtelige alder af 17 år, stadig er i fuld vigør.

Fakta: Kvantematerialer

Der er en voksende efterspørgsel på materialer med unikke elektroniske og magnetiske egenskaber

og kan udnyttes i en række teknologier, fra superledning til kvantecomputere.

Det er materialer, hvor de kvantefysiske egenskaber spiller en vigtig rolle i deres opførsel.

Med dem forventer forskerne at kunne designe nye såkaldte ”ude-af-ligevægt” faser, og med materialer der har de rette egenskaber, at kunne opretholde sådanne faser.

Fakta: Lokalt interagerende systemer med mange partikler

Den nye teori er i stand til at besvare, hvordan dynamikken udvikler sig en bred klasse af systemer som er lokalt interagerende, hvilket vil sige at de kræfter mellem partiklerne, der skaber bevægelserne, fungerer på relativt kort afstand.

Blandt de næste mål for Buca er opgaven med at udvikle teorien til at gælde alle klasser af systemer med kvantepartikler.

Om studiet

Berislav Buca er eneforfatter til forskningsartiklen, som blev offentliggjort i det respekterede tidsskrift Physical Review X.

Ud over sit virke på Københavns Universitet, er Buca tilknyttet Oxford Universitet i England.

Forskningen er finansieret af et Young Investigator Grant fra Villumfonden.

Yderligere informationer:

Ekstra info: Første bevis for anerkendt hypotese

Den nu beviste hypotese forklarer, hvorfor den matematik Buca anvender er i stand til nøjagtigt at beskrive kvantesystemer, og forklarer, hvordan disse systemer bevæger sig fra et udgangspunkt ude af ligevægt og til en tilstand af termisk (varmemæssig) ligevægt over tid.

En tilstand, der er enkel og hvor de mikroskopiske detaljer ikke længere spiller en afgørende rolle. Og hvor systemet opfører sig som forventet ud fra termodynamiske love.

”Min teori har betydning for vores forståelse af termodynamikken, fordi den viser at disse afvigende systemer med mange partikler, som hidtil blev betragtet som ude af ligevægt, i virkeligheden altid er i en anden tidafhængig tilstand af ligevægt,” forklarer Berislav Buca. 

Ekstra info: Eksotiske undtagelser bekræfter reglen

Ideen til Bucas teori kom mens han - i en form for ekstrem hovedregning - studerede nogle såkaldte eksotiske algebraiske strukturer. Matematiske størrelser, på kanten af den teoretiske fysik.

Disse matematiske strukturer kan bruges til at forstå systemer af partikler, der udfordrer termodynamikkens love, som siger at de vil søge mod ligevægt i enkel og rolig orden. I stedet kan fortsætte i det uendelige med at veksle mellem yderpunkter.

”Jeg undrede mig over de her systemer, tilsyneladende ikke fulgte den sædvanlige lovmæssighed, at uorden med tiden udjævner sig, siger Berislav Buca.

Man kan forestille sig to materialer, der mødes. Et varmt, et koldt. Normalt vil varmen som følge af termodynamikkens første og anden lov søge at udligne varmeforskellen, ved at energien fra det varme materiale bevæger sig over i det kolde – aldrig tilbage igen. Lovmæssigheder vi dagligt møder uden at tænke over det, når den kolde mælk møder kaffen i koppen, eller vi glemmer de frosne ærter på køkkenbordet.

I de eksotiske systemer, som Buca brudte hovedet med, går bevægelsen både den ene og den anden vej, og fortsætter med det uendeligt.

”Jeg undersøgte systemerne matematisk og var i stand til at finde nogle strukturer, som forhindrer systemerne i at udligne sig, men fører dem i en form for konstant vekslende ligevægt samlet set. De afvigende systemer viste mig nogle ydre grænser for de her lovmæssigheder - som en slags undtagelser, der bekræfter reglen. Det var sådan jeg kunne færdiggøre min teori,” siger han.

Teorien har, ifølge forskeren selv, betydning for vores forståelse af termodynamikken, fordi den viser, at disse afvigende systemer med mange partikler, som hidtil blev betragtet ude af ligevægt, i virkeligheden altid er i en anden tidsafhængig tilstand af ligevægt,” forklarer han.

Fakta om termodynamikken

Termodynamikken er grundlæggende videnskabelige teorier om varme og andre energiformer formuleret som love.

• Systemer vil altid forsøge at opnå varmemæssig (termisk) ligevægt med hinanden. I dagligdagen, fx når vores kaffen efter et stykke tid er blevet ligeså kold som omgivelserne.
• Energibevarelse - Energi kan ikke opstå eller forsvinde, kun omdannes. Varmen i kaffen kom et sted fra og bliver ikke væk, men overføres blot fx til omgivelserne.
• Entropi – enhver naturlig proces fører generelt til, at uorden eller kaos i et system øges. Entropi er et mål for uorden eller utilgængelighed af energi i et system. Den varme i kaffen flyder fra koppen til de køligere omgivelser, aldrig den anden vej.
• Nulpunktet - Der findes et absolut nulpunkt for varme (-273,15 celsius), hvor alle partikler står stille, men ingen øvre grænse.