Představte si sklenici piva. Sledujte, jak bubliny stoupají.
Vypadají jako malé koule. Mají formu. Mají velikost. Dokonce do sebe narážejí a odrážejí se. Ale podívejte se blíže. Bublina není skutečná věc. Tohle je prázdnota. Toto je prázdný prostor, kde by pivo mělo být, vytěsněné oxidem uhličitým. Bublina je porucha v kapalině. Pro všechny praktické účely se však chová jako předmět.
To je hlavní myšlenka kvazičástice.
Ve fyzice hmota není jen sbírka plných cihel. Tohle je středa. Hustá, vzájemně se ovlivňující polévka polí a sil. Když tuto polévku narušíte, porucha se může chovat jako částice. Přenáší energii. Nese hybnost. Má určitou velikost. Nemusí to být základní stavební blok jako elektron nebo kvark, aby se choval jako jeden.
Iluze individuality
Analogie s pivními bublinami je hrubá, ale funguje. Bublina si zachovává svou identitu, když se pohybuje kapalinou. Interaguje s jinými bublinami. On plave. Kvazičástice dělá totéž uvnitř materiálu.
Vezměme si fonon. Toto není částice, kterou lze zachytit. Jde o kvantovanou vibraci šířící se krystalovou mřížkou. Když teplo prochází diamantem, atomy nelétají tam a zpět. To jsou fonony. Mřížka je médium. Vibrace jsou kvazičástice. Přenáší tepelnou energii. Má hybnost. Může se srazit s elektrony.
Pak je tu exciton. Tento jev se vyskytuje u polovodičů. Elektron se přesune na vyšší energetickou hladinu a zanechá za sebou „díru“. Elektron a díra se vzájemně přitahují. Točí se kolem sebe. Společně tvoří vázaný stav. Tento vázaný stav je kvazičástice. Pohybuje se materiálem. Přenáší energii bez přenosu čistého náboje. To je zásadní pro provoz solárních panelů.
Mezi další příklady patří magnon, spinová vlna v magnetických materiálech, a polaron, elektron, který se při svém pohybu táhne podél mračna mřížkového zkreslení.
Proč je to pro fyziky důležité?
Můžete se ptát: proč je vůbec nazývat částicemi? Proč ne jen mluvit o komplexních vlnách v médiu?
Protože jinak se matematika stane nemožnou. Pokoušet se vypočítat chování každého jednotlivého atomu v pevné látce interagujícího s každým dalším atomem prostřednictvím elektrických polí je noční můra. Toto je výpočetně neřešitelný problém.
Pokud však považujeme kolektivní chování za soubor několika kvazičástic, problém se stane zvládnutelným. Můžete počítat kolize. Můžete předvídat vodivost. Můžete vytvořit lepší čipy. Kvazičástice jsou nástrojem. Způsob, jak zjednodušit chaos fyziky mnoha těles na něco, co můžeme skutečně modelovat.
Radikální důsledky
Tím se dostáváme k té znepokojivé části.
Základní částice – elektrony, fotony, kvarky – obvykle považujeme za skutečnou hmotu. Základ reality. Kvazičástice jsou jen aproximace. Vznikající jevy.
Ale co když se mýlíme?
V teoretické fyzice přetrvává okrajová myšlenka, že i základní částice mohou být kvazičásticemi. Co když je samotný vesmír prostředím? Možná kvantové pole. A co když elektron je v tomto jen stabilní, lokalizovaná porucha
