Pri skoraj najnižji možni temperaturi – živo srebro (s pomočjo tekočega helija) – tvori stanje, imenovano superprevodnost. V skrajnem primeru elektroni tečejo neobremenjeno skozi tako imenovano superfluid. Toda kako in zakaj je superfluidno vedenje kljubovalo razlagi. Do zdaj…
Ko se meri na nekaj stopinj absolutne ničle na Kelvinovi lestvici (minus 273 Celzija ali minus 460 Fahrenheita), se tekoči helij-4 spremeni v izjemno superfluidno stanje. Vrti se, se zvija in njegovo pomanjkanje telesa že skoraj stoletje bega znanstvenike. Zdaj je ekipa, ki jo vodi fizik Univerze v Washingtonu, z uporabo najmočnejšega superračunalnika, ki je na voljo za odprto znanost, pripravila teoretično sliko, ki pojasnjuje obnašanje superfluida v realnem času. Le kdo je tukaj odgovorna stran? Poskusite s subatomskimi delci, imenovanimi fermioni.
Femioni so velik del naravne enačbe kot elektroni, protoni in nevtroni… tako kot so superfluidi del nevtronskih zvezd. Superfluidna površina nevtronskih zvezd – ali pulzarjev, ki se vrtijo med 1 in 1000-krat na sekundo, deluje veliko drugače kot njena dvojka tukaj na Zemlji. Ko se hitrost poveča, tvori serijo majhnih vrtincev, ki se združujejo v trikotni vzorec ... ki posledično tvori pletenico znotraj superfluidne strukture. 'Ko dosežete pravo hitrost, boste ustvarili en vrtinec na sredini,' je dejal Bulgac. »In ko povečate hitrost, boste povečali število vrtincev. Toda vedno se zgodi v korakih.'
Ali ga znanost lahko poustvari? da. Laboratorijski modeli, ki uporabljajo vakuumsko komoro in laserski žarek za ustvarjanje visokointenzivnega električnega polja, so uspeli ohladiti majhen vzorec, morda 1 milijon atomov, na temperature blizu absolutne ničle. Nato uporabimo 'lasersko žlico' za mešanje presežne tekočine dovolj hitro, da se ustvarijo vrtinci.
'Ko so znanstveniki poskušali razumeti nenavadno vedenje, so poskušali oblikovati opisne enačbe, kot so tiste, ki bi jih lahko uporabili za opis vrtinčenja v skodelici kave, ko se meša.' je rekel Bulgac. 'Toda za opis delovanja v superfluid, sestavljenem iz fermionov, je potrebno skoraj neomejeno število enačb. Vsak opisuje, kaj se zgodi, če se spremeni samo ena spremenljivka – na primer hitrost, temperatura ali gostota. Ker so spremenljivke povezane, če se ena spremeni, se bodo spremenile tudi druge.'
Eden od večjih izzivov pri oblikovanju matematične hipoteze je količina računalniške moči, ki bi jo potrebovali za reševanje problema s številnimi spremenljivimi spremembami, ki so dosegle 1 bilijon ali več. Kako so torej to storili? Ekipa je uporabila računalnik JaguarPF v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge v Tennesseeju, enem največjih superračunalnikov na svetu, za 70 milijonov ur, kar bi zahtevalo skoraj 8000 let na enojedrnem osebnem računalniku (JaguarPF ima skoraj četrtino -milijon jeder). Samo poskusite to ohladiti!
'To vam pove o zapletenosti teh izračunov in o tem, kako težko je to,' je dejal Bulgac. Da bi bile zadeve še bolj zapletene, hitreje ko se superfluid meša, izgubi svoje lastnosti – vendar ne tako hitro, kot se domneva. 'Delo pomeni, da lahko raziskovalci 'do neke mere' preučujejo lastnosti nevtronske zvezde z uporabo računalniških simulacij.' je rekel Bulgac. 'Odpira tudi nove smeri raziskav v fiziki hladnih atomov.'
In še več domačih nalog z naše strani.
Izvorni vir zgodbe: Univerza v Washingtonu .