Ένα από τα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα της σύγχρονης Φυσικής φαίνεται πως βρήκε επιτέλους απάντηση, αναφέρουν ενθουσιωδώς διεθνή μέσα ενημέρωσης.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Βίρτσμπουργκ στη Γερμανία κατάφεραν για πρώτη φορά να επιβεβαιώσουν πειραματικά μια θεωρία ηλικίας σχεδόν 40 ετών, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται πολύπλοκα συστήματα στη φύση.

Η ανακάλυψη θεωρείται σημαντικό ορόσημο, καθώς ενισχύει την άποψη ότι εντελώς διαφορετικά φαινόμενα – από την ανάπτυξη κρυστάλλων και αποικιών βακτηρίων έως τις δασικές πυρκαγιές, τις εξελικτικές διεργασίες και ακόμη και ορισμένους αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης – υπακούουν τελικά στους ίδιους θεμελιώδεις φυσικούς νόμους.

Η θεωρία που προσπαθούσε να εξηγήσει την ανάπτυξη της φύσης

Το 1986 οι φυσικοί Μεχρτάμπ Καρντάρ, Τζόρτζιο Παρίζι και Γιουχάνγκ Ζανγκ διατύπωσαν τη γνωστή πλέον εξίσωση Kardar–Parisi–Zhang (KPZ), μια μαθηματική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο εξελίσσονται επιφάνειες που αναπτύσσονται υπό την επίδραση τυχαίων παραγόντων.

Η βασική ιδέα της θεωρίας είναι ότι, όσο διαφορετικά κι αν φαίνονται δύο φυσικά συστήματα, η διαδικασία ανάπτυξής τους μπορεί να ακολουθεί τις ίδιες καθολικές στατιστικές αρχές.

Με την πάροδο των δεκαετιών, η εξίσωση KPZ χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή πληθώρας φαινομένων, όπως η δημιουργία κρυστάλλων, η εξάπλωση βακτηρίων, η διάδοση μετώπων φωτιάς, η ανάπτυξη κυτταρικών ιστών, η δυναμική πληθυσμών, ακόμη και ορισμένα μοντέλα μηχανικής μάθησης.

Ωστόσο, η πειραματική επιβεβαίωσή της παρέμενε εξαιρετικά δύσκολη.

• Διαβάστε επίσης: Φυσική / Επιστήμονες «πάγωσαν» περιστρεφόμενο νανοσωματίδιο στο απόλυτο κβαντικό όριο της αβεβαιότητας

Γιατί χρειάστηκαν σχεδόν τέσσερις δεκαετίες

Οι διεργασίες ανάπτυξης στη φύση δεν εξελίσσονται με ομαλό τρόπο.

Αντίθετα, επηρεάζονται συνεχώς από τυχαίες διακυμάνσεις και μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα δύσκολες στη μελέτη.

Όπως εξηγεί ο ερευνητής Σιντάρτα Νταμ από το Πανεπιστήμιο του Βίρτσμπουργκ, οι επιστήμονες έπρεπε να δημιουργήσουν ένα σύστημα που θα μπορούσε να καταγράφει ταυτόχρονα την εξέλιξη αυτών των διεργασιών τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο.

Το πρόβλημα ήταν ότι όλα συμβαίνουν μέσα σε ελάχιστα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, κάτι που μέχρι πρόσφατα ήταν τεχνικά αδύνατο να παρατηρηθεί με την απαιτούμενη ακρίβεια.

Το πείραμα που έδωσε την απάντηση

Για να ελέγξουν τη θεωρία, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα εξαιρετικά ελεγχόμενο κβαντικό σύστημα.

Χρησιμοποίησαν έναν ημιαγωγό από αρσενιούχο γάλλιο (GaAs), τον οποίο ψύχθηκαν στους –269,15 βαθμούς Κελσίου, δηλαδή μόλις λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Στη συνέχεια διέγειραν το υλικό με μια συνεχή δέσμη λέιζερ.

Υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες δημιουργήθηκαν τα λεγόμενα πολαριτόνια, σωματίδια που αποτελούν ένα υβρίδιο φωτός και ύλης.

Τα πολαριτόνια υπάρχουν μόνο για ελάχιστα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για τη μελέτη εξαιρετικά γρήγορων φυσικών διεργασιών.

Για πρώτη φορά επιβεβαίωση σε δύο διαστάσεις

Οι επιστήμονες κατάφεραν να παρακολουθήσουν με ακρίβεια πού δημιουργούνται και πώς εξελίσσονται τα πολαριτόνια μέσα στο υλικό, τόσο χωρικά όσο και χρονικά.

Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η ανάπτυξη του κβαντικού αυτού συστήματος ακολουθεί ακριβώς τις προβλέψεις της εξίσωσης KPZ.

Πρόκειται για την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας σε δύο διαστάσεις.

Μέχρι σήμερα υπήρχε μόνο μία επιτυχής επιβεβαίωση, που πραγματοποιήθηκε το 2022 στο Παρίσι, αλλά αφορούσε αποκλειστικά μονοδιάστατα συστήματα.

Η επέκταση σε δύο διαστάσεις αποτελούσε πολύ μεγαλύτερη τεχνική και επιστημονική πρόκληση.

Η σημασία της ανακάλυψης

Ο καθηγητής Σεμπάστιαν Ντίελ από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας, ο οποίος είχε προτείνει ήδη από το 2015 τη θεωρητική εφαρμογή του μοντέλου σε τέτοιου είδους κβαντικά συστήματα, χαρακτήρισε το αποτέλεσμα ιδιαίτερα σημαντικό.

Όπως επισημαίνει, η επιτυχής πειραματική επιβεβαίωση δείχνει ότι η εξίσωση KPZ αποτελεί έναν πραγματικά θεμελιώδη νόμο για τα φυσικά συστήματα που βρίσκονται εκτός ισορροπίας.

Με άλλα λόγια, η ίδια μαθηματική περιγραφή μπορεί να εξηγεί τη συμπεριφορά εντυπωσιακά διαφορετικών φυσικών φαινομένων.

Τεχνολογία ακριβείας σε ατομικό επίπεδο

Καθοριστικό ρόλο στην επιτυχία του πειράματος έπαιξε η δυνατότητα των ερευνητών να κατασκευάσουν το υλικό με ακρίβεια ατόμου προς άτομο.

Με τη χρήση της τεχνικής της μοριακής επιταξίας δέσμης, δημιούργησαν μια εξαιρετικά πολύπλοκη δομή, όπου ειδικά ανακλαστικά κάτοπτρα παγιδεύουν τα φωτόνια μέσα σε ένα λεπτό «κβαντικό φιλμ».

Εκεί τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρονικά διεγερμένα άτομα του αρσενιούχου γαλλίου, σχηματίζοντας τα πολαριτόνια, των οποίων η εξέλιξη μπορεί πλέον να καταγράφεται με πρωτοφανή ακρίβεια.

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι μόνο χάρη σε αυτόν τον εξαιρετικά λεπτομερή έλεγχο του υλικού και του πειράματος κατέστη δυνατή η επιβεβαίωση μιας θεωρίας που παρέμενε ανοιχτό επιστημονικό ερώτημα επί σχεδόν τέσσερις δεκαετίες.

Τι σημαίνει η ανακάλυψη

Η νέα μελέτη δεν λύνει απλώς ένα παλιό θεωρητικό πρόβλημα της Φυσικής.

Ενισχύει την ιδέα ότι πίσω από φαινόμενα που εκ πρώτης όψεως φαίνονται άσχετα μεταξύ τους κρύβονται κοινοί, καθολικοί νόμοι.

Η κατανόηση αυτών των νόμων θα μπορούσε στο μέλλον να βελτιώσει τη μοντελοποίηση πολύπλοκων φυσικών, βιολογικών και τεχνολογικών συστημάτων, συμβάλλοντας στην πρόοδο πεδίων που εκτείνονται από την επιστήμη των υλικών μέχρι τη βιολογία και την τεχνητή νοημοσύνη.