Pokud pevně uchopíme kámen do svých rukou, neočekáváme, že zmizí, ani prosakovat naše maso a kosti. Naše zkušenost je, že kámen a obecněji pevná hmota je stabilní a neproniknutelný. V loňském roce si připomněli 50. výročí demonstrace Freemana Dysona a Andrewa Lenarda, že stabilita hmoty pochází z principu Pauliho vyloučení. Tento princip, za který Wolfgang Pauli obdržel Nobelovu cenu za fyziku za rok 1945, je založen na myšlenkách tak převládajících v základní fyzice, že jejich základy jsou zřídka zpochybňovány. Zde oslavujeme a uvažujeme o Pauliho principu a zkoumáme nejnovější experimentální snahy o jeho testování.

Princip vyloučení (EP), který uvádí, že žádné dva fermiony nemohou obsadit stejný kvantový stav, je s námi téměř století. Ve své Nobelově přednášce Pauli poskytl hluboký a rozsáhlý popis svého objevu a jeho spojení s nevyřešenými problémy nově vzniklé kvantové teorie. Na počátku 20. let, před Schrödingerovou rovnicí a Heisenbergovou maticovou algebrou, provedl mladý Pauli mimořádný čin, když postuloval jak EP, tak to, co nazval „klasicky nepopsatelnou dvoucenností“ – časný náznak existence elektronová rotace – vysvětlit strukturu atomových spekter.

V té době se EP setkal s určitým odporem a Pauli sám pochyboval o koncepcích, které měl poněkud bezohledně představen. Situace se významně změnila po zavedení konceptu elektronového odstřeďování v roce 1925 a jeho identifikaci s Pauliho dvoucenností, která vycházela z empirických myšlenek Lande, původního návrhu Kroniga a nezávislého dokumentu Goudsmita a Uhlenbecka. Zavedením obrazu elektronu jako malé klasické koule s rotací, která by mohla ukazovat pouhými dvěma směry, byli jak Kronig, tak Goudsmit a Uhlenbeck schopni vypočítat štěpení jemné struktury atomového vodíku, i když jim stále chyběla kritická faktor dva. Po těchto prvních krocích následovaly relativistické výpočty Thomase, spinův kalkul Pauliho a nakonec v roce 1928 elegantní vlnová rovnice Diraca, která ukončila veškerý odpor proti konceptu spinu.

Teoretické vysvětlení EP však muselo nějakou dobu počkat. Těsně před druhou světovou válkou Pauli a Markus Fierz významný pokrok směrem k tomuto cíli, následovaný publikací v roce 1940 Pauliho jeho seminární práce „Spojení mezi spinem a statistikou“. Tento článek ukázal, že (za předpokladu relativisticky invariantní formy kauzality) rotace částice určuje komutační vztahy, tj. Zda pole dojíždějí nebo jsou protiproudu, a tedy i statistiku, kterou se částice řídí. EP pro fermiony spin-1/2 následuje jako důsledek spojení spin-statistika a rozdělení částic na fermiony a bosony na základě jejich rotací je jedním ze základních kamenů moderní fyziky.

Beguilingly simple

EP je okouzlujícím způsobem jednoduché a mnoho fyziků se pokusilo přeskočit relativitu a najít přímé důkazy, které používají pouze obyčejnou kvantovou mechaniku – i když za předpokladu spinu, což je skutečně relativistický koncept. Samotný Pauli byl zmaten tímto principem a ve své Nobelově přednášce poznamenal: „Již ve své původní práci jsem zdůraznil okolnost, že jsem nebyl schopen logicky zdůvodnit princip vyloučení nebo jej odvodit z obecnějších předpokladů. vždy ten pocit a dodnes ho mám, že je to nedostatek…. Dojem, že stín určité neúplnosti zde dopadl na jasné světlo úspěchu nové kvantové mechaniky, se mi zdá nevyhnutelný. “ Dokonce i Feynman – který svou podivnou intuicí obvykle zastínil ostatní – se cítil frustrovaný z jeho neschopnosti vymyslet jednoduché a přímé odůvodnění EP: „Zdá se, že je to jedno z mála míst ve fyzice, kde existuje pravidlo, které lze uvedl velmi jednoduše, ale pro které nikdo nenalezl jednoduché a snadné vysvětlení … To pravděpodobně znamená, že plně nerozumíme základnímu principu, který to zahrnuje. Prozatím to budete muset brát jako jedno z pravidel světa. “

Zvláštní zájem

Po dalších teoretických studiích, které zahrnovaly nové důkazy o spojení spin-statistika a zavedení takzvané para-statistiky Greenem, o možném malém porušení EP poprvé uvažovali Reines a Sobel v roce 1974, když reanalyzovali experiment Goldhabera a Scharffa v roce 1948. Možnost malých porušení byla teoreticky vyvrácena Amadem a Primakoffem v roce 1980, ale téma bylo oživeno v roce 1987 . Ten rok představil ruský teoretik Lev Okun model porušování EP, ve kterém uvažoval o modifikovaných fermionických stavech, které kromě obvyklého vakua a stavu jedné částice zahrnují také stav dvou částic. Okun napsal, že „Zvláštní místo, které má Pauliho princip v moderní teoretické fyzice, neznamená, že tento princip nevyžaduje další a vyčerpávající experimentální testy. Naopak, je to právě základní podstata Pauliho principu, který by takové testy prováděl. , po celé periodické tabulce, se zvláštním zájmem. “

Okunův model však narazil na potíže při pokusu o konstrukci rozumného Hamiltonian, nejprve proto, že Hamiltonian zahrnoval nelokální a zadruhé proto, že se Okunovi nepodařilo zkonstruovat relativistické zobecnění modelu. Navzdory tomu jeho práce silně podporovala experimentální testy na atomech. Ve stejném roce (1987) Ignatiev a Kuzmin představili rozšíření Okunova modelu v přísně nerelativní sitický kontext, který byl charakterizován „parametrem beta“ | β | < < 1. Nezaměňujte s relativistickým faktorem v / c, β je parametr popisující působení operátoru vytvoření na stav jedné částice. Pomocí modelu hračky k ilustraci přechodů, které porušují EP, Ignatiev a Kuzmin odvodili, že pravděpodobnost přechodu pro anomální dvouelektronový symetrický stav je úměrná β2 / 2, který je stále široce používán k vyjádření pravděpodobnosti porušení EP.

Tento nerelativistický přístup kritizoval AB Govorkov, který tvrdil, že naivní model Ignáceva a Kuzmina nelze rozšířit, aby se stal plnohodnotnou kvantovou teorií pole. Jelikož je kauzalita důležitou složkou Pauliho důkazu spojení spin-statistika, lze Govorkovovy námitky obejít: později v roce 1987 představili Oscar Greenberg a Rabindra Mohapatra z University of Maryland kvantovou teorii pole s kontinuálně deformovanými komutačními vztahy, které vedly k porušení kauzality. Parametr deformace byl označen písmenem q a teorie měla popisovat nové hypotetické částice zvané „quons“. Govorkov však dokázal, že ani tento klam nemohl přimět kvantovou teorii pole k malému porušení EP , což dokazuje, že pouhá existence antičástic – opět skutečný relativistický znak kvantové teorie pole – stačila k vyloučení malých porušení. Zpráva „domů“ byla, že narušení lokality nestačí k rozbití EP, dokonce „jen málo ”.

Souvislost mezi vnitřní rotací částic a statistikami, jimiž se řídí, jsou jádrem kvantové teorie pole, a proto by měla být testována. Porušení EP by bylo revoluční. Mohlo by to souviset například s porušením CPT nebo s porušením lokality nebo Lorentzovy invariance. Viděli jsme však, jak robustní je EP a jak obtížné je vytvořit rámec porušení v rámci současné teorie kvantového pole. Experimenty se nesetkávají s menšími obtížemi, jak poznamenali již v roce 1980 Amado a Primakoff, a existuje jen velmi málo experimentálních možností, jak skutečně otestovat tento princip moderní fyziky.

Jednou z obtíží, kterým experimenty čelí, je že identita elementárních částic znamená, že Hamiltonians musí být invariantní s ohledem na výměnu částic, a v důsledku toho nemohou změnit symetrii daného stavu více identických částic.Dokonce ani v případě smíšené symetrie systému mnoha částic neexistuje žádný fyzický způsob, jak vyvolat přechod do stavu odlišné symetrie. To je podstata pravidla Mesiášova-Greenbergova superselekčního pravidla, které lze porušit, pouze pokud je otevřený fyzický systém.

Porušení pravidel

První vyhrazený experiment v souladu s tímto porušením pravidla superselekce Messiah – Greenberg provedli v roce 1990 Ramberg a Snow, kteří hledali Pauliho zakázané rentgenové přechody v mědi po zavedení elektronů do systému. Myšlenka je, že napájecí zdroj vstřikující elektrický proud do měděného vodiče působí jako zdroj elektronů, které jsou pro atomy ve vodiči nové. Pokud mají tyto elektrony „špatnou“ symetrii, mohou být radiačně zachyceny do již obsazené 1S úrovně atomů mědi a emitovat elektromagnetické záření. Výsledné rentgenové paprsky jsou ovlivněny neobvyklou elektronovou konfigurací a jsou mírně posunuty směrem k nižším energiím k charakteristickým rentgenovým paprskům mědi.

Ramberg a Snow nezjistili žádné porušení, ale byli schopni stanovit horní hranici pravděpodobnosti porušení Β2 / 2 < 1,7 × 10–26. V návaznosti na jejich koncepci byla v podzemní laboratoři LNGS v italském Gran Sasso v roce 2006 vytvořena mnohem vylepšená verze experimentu zvaná VIP (porušení Pauliho principu). VIP se výrazně zlepšil na experimentu Ramberg a Snow pomocí zařízení s vazbou na náboj (CCD) jako rentgenových detektorů s vysokým rozlišením s velkou plochou a vysokou vnitřní účinností. V původním VIP nastavení byly CCD umístěny kolem válce z čisté mědi; X- paprsky vyzařované z válce byly měřeny bez proudu a s proudem do 40 A. Kosmické pozadí v laboratoři LNGS je silně potlačeno – faktorem 106 díky nadložní hornině – a přístroj byl také obklopen masivním olověným stíněním.

Stanovení limitů

Po čtyřech letech sběru dat stanovil VIP nový limit narušení EP pro elektrony na β2 / 2 < 4,7 × 10–29. Pro další zvýšení citlivosti byl experiment upgradován na VIP2, kde detektory driftu křemíku (SDD) nahrazují CCD jako rentgenové detektory. Stavba VIP2 byla zahájena v roce 2011 a v roce 2016 bylo nastavení instalováno v podzemní laboratoři LNGS, kde po ladění a testování bylo zahájeno odebírání dat. SDD poskytují širší pevný úhel pro rentgenovou detekci a toto zlepšení spolu s vyšším proudem a aktivním stíněním pomocí plastových scintilátorů k omezení pozadí vede k mnohem lepší citlivosti. Schopnost načasování SDD také pomáhá potlačit události na pozadí.

Testování experimentálního programu pro možné porušení EP pro elektrony dosáhlo v roce 2017 velkého pokroku a již v první zlepšilo horní hranici stanovenou VIP dva měsíce doby provozu. S plánovanou dobou trvání tří let a střídavým měřením s nebo bez proudu se očekává zlepšení o dva řády s ohledem na předchozí horní hranici VIP. Pokud nebude k dispozici signál, nastaví se limit porušení EP na β2 / 2 < 10–31.

Experimenty jako test VIP a VIP2 spojení spin-statistika pro jeden konkrétní druh fermionů: elektrony. Dolgov a Smirnov teoreticky diskutovali také o případu porušování EP u neutrin. Pokud jde o bosony, omezení možného narušení statistik pocházejí z vysokoenergetické fyziky při hledání rozpadů vektorových (tj. Spin-one) částic na dva fotony. Takové rozpady jsou zakázány teorémem Landau – Yang, jehož důkaz zahrnuje předpoklad, že oba fotony musí být produkovány v permutačně-symetrickém stavu. Doplňkovým přístupem je použití spektroskopických testů prováděných na LENS ve Florencii v 90. letech, které zkoumají permutační vlastnosti 16O jader v polyatomových molekulách hledáním přechodů mezi stavy, které jsou při výměně dvou jader antisymetrické. Pokud jsou jádra bosony, jako v tomto případě, takové přechody, pokud jsou nalezeny, narušují vztah spin-statistika. Vysoce citlivé testy fotonů byly také prováděny spektroskopickými metodami. Jako příklad lze uvést, že při použití Bose – Einsteinovy statistiky zakázané dvoufotonové excitace v bariu byla pravděpodobnost, že dva fotony budou ve „špatném“ stavu permutační symetrie, prokázána angličtinou a spolupracovníky v Berkeley v roce 2010 jako menší než 4 × 10–11 – vylepšení o více než tři řády ve srovnání s dřívějšími výsledky.

Na závěr poznamenáváme, že EP má mnoho souvisejících filozofických problémů, o čemž si byl dobře vědom sám Pauli, a ty jsou studovány v rámci specializovaného projektu zahrnujícího VIP spolupracovníky a podporovány Nadací Johna Templetona.Jedním z takových problémů je pojem „identita“, který, jak se zdá, nemá analogii mimo kvantovou mechaniku, protože neexistují dva zásadně identické klasické objekty.

Tato konečná rovnost kvantových částic vede ke všemu důležitému důsledky řídící strukturu a dynamiku atomů a molekul, neutronových hvězd, záření černého tělesa a určující náš život v celé jeho složitosti. Například molekulární kyslík ve vzduchu je extrémně reaktivní, tak proč naše plíce nejen nehoří? Důvod spočívá v párování elektronových spinů: obyčejné molekuly kyslíku jsou paramagnetické s nepárovými elektrony, které mají paralelní rotace, a při dýchání to znamená, že elektrony musí být přenášeny jeden po druhém. rychlost připojení kyslíku k hemoglobinu. Myslete na to, až příště vydechnete!