Обнаружена связь между узлами викингов и квантовыми вихрями


Фото из открытых источников
Ученые продемонстрировали, как три вихря могут быть связаны таким образом, что их нельзя будет разобрать. Хотя это исследование было сосредоточено на вихрях в особом типе вещества, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна, структура связей напоминает структуру, использовавшуюся викингами и другими древними цивилизациями. Полученные результаты имеют значение для квантовых вычислений, физики элементарных частиц и других областей.
 
Постдокторант Тони Аннала использует струны и водные вихри, чтобы объяснить это явление: «Если вы сделаете структуру связи, скажем, из трех неразорванных нитей в круге, вы не сможете ее распутать, потому что нить не может пройти через другую нить. Если, с другой стороны, такая же круглая структура создана в воде, водные вихри могут столкнуться и слиться, если они не защищены».
 
Исследователи математически продемонстрировали существование структуры связанных вихрей, которые не могут развалиться из-за своих фундаментальных свойств. «Новым элементом здесь является то, что мы смогли математически сконструировать три разных вихря потока, которые были связаны, но не могли проходить друг через друга без топологических последствий. Если вихри проникают друг в друга, на пересечении образуется шнур, который связывает вихри вместе и потребляет энергию. Это означает, что конструкция не может легко разрушиться», — отметили ученые.
 
Структура концептуально похожа на кольца Борромео, узор из трех взаимосвязанных кругов, который широко использовался в символике и в качестве герба. Символ викингов, связанный с Одином, состоит из трех треугольников, соединенных аналогичным образом. Если один из кругов или треугольников удалить, весь узор растворится, потому что оставшиеся два не связаны напрямую. Таким образом, каждый элемент связывает двух своих партнеров, стабилизируя структуру в целом.
 
Математический анализ в этом исследовании показывает, как такие же надежные структуры могут существовать между узловатыми или связанными вихрями. Такие структуры могут наблюдаться в определенных типах жидких кристаллов или систем конденсированных сред и могут влиять на поведение и развитие этих систем.
 
«К нашему удивлению, эти топологически защищенные связи и узлы не были изобретены раньше. Вероятно, это связано с тем, что для звеньевой структуры требуются вихри с тремя разными типами потока, что намного сложнее, чем рассмотренные ранее двухвихревые системы», — пояснили исследователи.
 
Эти результаты могут однажды помочь сделать квантовые вычисления более точными. В топологических квантовых вычислениях логические операции будут выполняться путем сплетения различных типов вихрей друг вокруг друга различными способами. В нормальных жидкостях узлы распутываются, но в квантовых полях могут быть узлы с топологической защитой, как мы сейчас обнаруживаем, пояснили ученые.
 
Аннала добавляет, что «одна и та же теоретическая модель может использоваться для описания структур во многих различных системах, таких как космические струны в космологии». Используемые в исследовании топологические структуры также соответствуют вакуумным структурам в квантовой теории поля. Таким образом, результаты могут также иметь значение для физики элементарных частиц.
 
Затем исследователи планируют теоретически продемонстрировать существование узла в конденсате Бозе-Эйнштейна, который будет топологически защищен от растворения в экспериментально возможном сценарии. «Существование топологически защищенных узлов — один из фундаментальных вопросов природы. После математического доказательства мы можем перейти к моделированию и экспериментальным исследованиям», — сказали они.