Уявіть собі келих пива. Спостерігайте, як піднімаються бульбашки.
Вони схожі на маленькі сфери. Вони мають форму. Вони мають розмір. Вони навіть стикаються одна з одною і відскакують. Але подивіться уважніше. Бульбашка — це не справжня річ. Це порожнеча. Це порожній простір, де має бути пиво, витіснене вуглекислим газом. Бульбашка – це обурення в рідині. Тим не менш, для всіх практичних цілей він веде себе як об’єкт.
У цьому полягає основна ідея квазічастинки.
У фізиці матерія — це не просто набір твердої цегли. Це середовище. Щільний, взаємодіючий суп із полів та сил. Коли ви обурюєте цей суп, обурення може поводитися як частка. Воно переносить енергію. Воно переносить імпульс. Він має певний розмір. Йому не потрібно бути фундаментальним будівельним блоком, таким як електрон або кварк, щоб поводитись як такий.
Ілюзія індивідуальності
Аналогія з пивною бульбашкою грубувата, але працює. Бульбашка зберігає свою ідентичність, переміщаючись через рідину. Він взаємодіє з іншими пухирцями. Він плаває. Квазичастиця робить те саме всередині матеріалу.
Візьмемо “фонон”. Це не частка, яку можна взяти до рук. Це квантована вібрація, що розповсюджується через кристалічну решітку. Коли тепло проходить через алмаз, атоми не літають туди-сюди. Це фонони. Ґрати — це середовище. Вібрація – це квазічастинка. Вона переносить теплову енергію. Має імпульс. Вона може мати справу з електронами.
Потім є екситон. Це відбувається у напівпровідниках. Електрон переходить на більш високий енергетичний рівень, залишаючи після себе дірку. Електрон та дірка притягуються один до одного. Вони обертаються довкола один одного. Разом вони утворюють пов’язаний стан. Цей зв’язаний стан і є квазічастинкою. Вона рухається крізь матеріал. Вона переносить енергію, не переносячи чистого заряду. Це має вирішальне значення для роботи сонячних батарей.
Інші приклади включають магнон, хвилю спина в магнітних матеріалах, та полярон, електрон, який тягне за собою хмару спотворення решітки під час руху.
Чому фізикам це важливо
Ви можете запитати: навіщо їх називати частинками взагалі? Чому б просто не говорити про складні хвилі в середовищі?
Тому що інакше математика стає неможливою. Спроба розрахувати поведінку кожного окремого атома в твердому тілі, що взаємодіє з кожним іншим атомом за допомогою електричних полів, – це кошмар. Це обчислювально нерозв’язне завдання.
Але якщо розглядати колективну поведінку як набір кількох квазічастинок, проблема стає керованою. Ви можете розрахувати зіткнення. Ви можете передбачити провідність. Ви можете створити досконаліші чіпи. Квазичастинки – це інструмент. Спосіб спростити хаос фізики багатьох тіл до чогось, що ми можемо реально змоделювати.
Радикальні наслідки
Це призводить до тривожної частини.
Зазвичай ми думаємо про фундаментальні частинки – електрони, фотони, кварки – як про справжню матерію. Основу реальності. Квазичастки – це просто наближення. Виникаючі явища.
Але що, якщо ми помиляємось?
У теоретичній фізиці існує стійка маргінальна ідея про те, що навіть фундаментальні частки можуть бути квазічастинками. Що якщо сам Всесвіт є середовищем? Можливо квантовим полем. І якщо електрон — це просто стабільне, локалізоване обурення в цьому
