Ettore Majorana to najbardziej fascynująca postać w dziejach nowożytnej fizyki. Tajemniczy i tragiczny, świecący jaskrawym światłem geniusza, mądry w rozumieniu życia i konsekwentny w postępowaniu ze światem, do którego los go wrzucił.
Pierwszą pracę z fizyki teoretycznej opublikował mając 22 lata, profesorem został bez spełnienia wymogów formalnych w 31 roku życia.
Współpracował z Heisenbergiem i Bohrem, zapostulował istnienie cząstki elementarnej , którą nazwał neutronem i przewidział teoretycznie jej własności [odkryta doświadczalnie później przez J.Chadwicka].
W latach 1934-38 rozwinął relatywistyczną teorię cząstek neutralnych [pozbawionych jakiegokolwiek ładunku] w opozycji do teorii Diraca.
Pod koniec lat 20-tych ubiegłego wieku, Dirac sformułował kwantową teorię pola wprowadzając w sposób niesymetryczny cząstki i antycząstki [1 ].Teoria ta miała kuriozalną hipotezę
przypisującą anty-cząstkom energię ujemną.
Na przykład pozyton– według Diraca - to “dziura” w oceanie elektronów o ujemnej energii.
W 1933 roku Majorana przedstawił symetryczną teorię kwantowania cząstek i antycząstek o spinie połówkowym [ fermionów ] , w której nie występuje anty-materia, jako materia o ujemnej energii, jednak tekst pracy ukazał się w publikacji dopiero w roku 1937 [2].
W teorii tej odkrył możliwość istnienia cząstek neutralnych ,które same są swoimi antycząstkami. W pewnych warunkach mają chiralność [ skrętność ]np. prawą ,a w innych warunkach- zmieniają chiralność na przeciwną [lewą] stając się antycząstkami. Dzięki tej hipotezie uzyskał symetrię [likwidując stany o ujemnej energii],której brakowało w Diraca kwantowej teorii pola i otworzył – co było ,jak się dzisiaj okazuje największym jego osiągnięciem- okno na zupełnie nową fizykę.
Intuicyjnie Majorana musiał wyczuć doniosłość swojej hipotezy ,gdyż odważnie zasugerował, iż takimi cząstkami ,które same są swoimi antycząstkami mogą być neutron i neutrino. Późniejsze eksperymenty wykluczyły neutron, a jeśli chodzi o neutrino to po dziś dzień nie ma rozstrzygającego dowodu.
Cząstki ,które są własnymi anty-cząstkami, zostały nazwane fermionami Majerany,a obecnie po prostu – cząstkami Majorany , gdyż także niektóre bozony mogą należeć do tej klasy, np. foton, który jest bozonem [ma spin równy 1 ] jest też cząstką Majorany.
Losy hipotezy Majorany, istnienia w przyrodzie cząstek elementarnych ,które są jednocześnie swoimi własnymi anty-cząstkami , nie były zbyt przyjemne: poszła w zapomnienie, do lamusa fizyki pomysłów nieprzydatnych.
Przez ponad 70 lat nikt o niej nie bąknął ani słowa.
Jednak od pięciu, sześciu lat, fizycy –doświadczalnicy , pracujący w dziedzinie tzw. topologicznych efektów przewodnictwa elektrycznego różnorodnych związków chemicznych w fazie skondensowanej [ w fazie ciała stałego] ,aby wyjaśnić odkrywane dziwne zjawiska, przypomnieli sobie cząstki Majorany.
Najpierw, przy okazji badania efektów w tzw. topologicznych dielektryków [ izolatorów ]. W Polsce badanie te prowadzi szkoła prof.Dietla [zob.poz.3 ].
Topologiczny izolator polega na tym, że w całej swej objętości materiał jest izolatorem, lecz na swojej powierzchni przewodzi prąd.
Zjawisko to, związane z tzw. kwantowym efektem Halla, występuje pod wpływem pola magnetycznego,ale w pewnych warunkach [ decyduje o tym geometria próbki ] bez tego pola.
Okazuje się ,że w tym zjawisku mogą odgrywać podstawową rolę cząstki Majorany.
Następnie ,w sytuacji kiedy mamy nadprzewodnik stykający się z topologicznym izolatorem, wówczas powstają cząstki Majorany w płaszczyźnie styku i dają o sobie znać efektami, przewidywalnymi tylko przy zastosowaniu teorii Majorany.
Nie wiedziałbym o tym, że właśnie ukazał się raport z najnowszych badań, gdyby nie wiadomość linkowana od armitage 44 o haśle “Majorana fermion”. Jest to dobry przykład współpracy między nami - blogerami.
To armitage 44 zainspirował mnie do obecnego tekstu.
Dotarłem do raportów [4], [5] i stwierdziłem ,że bezsprzecznie cząstki Majorany po 70 latach zapomnienia, czy wręcz odrzucenia jako bezsensowną hipotezę , współtworzą nowąfizykę materii skondensowanej.
Najpierw Amerykanie [ University of California-Berkeley,Lawrance Berkeley National Laboratory ], a trzy miesiące później [listopad 2011] zespół japoński z uniwersytetów :Osaki,Tokio i Nagaya ,posługując się takimi materiałami jak ; antymon,tellurek bizmutu,selen natrafili na trop cząstek Majorany.
Taki materiał uformowany z tellurku bizmutu i selenu w postaci francuskiego makaronu zwanego lasagne, we wnętrzu jest nadprzewodnikiem [ nie ma oporu elektrycznego, bez specjalnie ekstremalnych temperatur ], a na powierzchni zachowuje się jak metal, czyli przewodzi prąd elektryczny przy określonej wartości oporu- będąc topologicznym izolatorem.
W takim sztucznym krysztale, na powierzchni styku zwykłego nadprzewodnika z topologicznym izolatorem, powstają [od strony izolatora] kwantowe wiry, swoiste dwuwymiarowe nadprzewodzące kwazi-cząstki ,opisywane teorią Majorany , których zachowanie jest bardzo niezwykłe.
Cząstki Majorany, nie tylko w fizyce materii skondensowanej mają już prawo obywatelstwa. Otwierają nową fizykę poza Modelem Standardowym ,są impulsem do badań teoretycznych nad ciemną materią w kosmologii[hipoteza aksjonów].
Triumf fizyki Majorany jest faktem.
Można także spojrzeć na niego ze stanowiska metodologii fizyki.
Z jednej strony jest przykładem i dowodem niesamowitej roli matematyki w poznaniu przyrody. Ettore Majorana otrzymał ideę osobliwych fermionów podczas dyskusji rozwiązań odkrytego przez siebie równania [dzisiaj zwanego równaniem Majorany], które okazało się znacznie płodniejsze od równań Diraca i Kleina-Gordona. Tamte równania nie dawały nowej fizyki w takim stopniu, jak równanie Majorany.
Można powiedzieć paradoksalnie lecz prawdziwe, że w pewnym momencie sam formalizm matematyczny ,bez udziału myśli człowieka ,odsłonił nowe obszary przyrody, a Majorana był jedynie tym ,który dotknął niewidzialnych mocy brył platońskich.
I za to “dotknięcie” zapłacił wielką cenę: albo absolutne odosobnienie od świata ludzkich namiętności ,albo absolutne zamilknięcie, aby nie stanowić okazji do wzmocnienia potęgi zła.
Tajemnica kresu istnienia Majorany ma Ziemi, jest nie do przeniknięcia ,dlatego że należał do “wybrańców bogów”. Platon dobrze ten fakt metafizyczny rozpoznał, chociaż nie wiemy skąd wziął siły do tego.
Z drugiej strony, historia idei cząstek Majorany pokazuje moc fizyki, jako nauki eksperymentalnej.
Trzeba było kilkadziesiąt lat rozwoju technologii i w ostatnim ćwierćwieczu- rozwoju nanotechnologii kwantowej ,by doświadczalnicy zobaczyli skannigiem kwantowym kropki lub kropelki kwantowe, dwuwymiarowe fale elektronowe i jednowymiarowe [brzegowe] mikro-prądy elektryczne.
Bez tej technologii ,która sama w sobie jest cudem pomysłowości ludzkiej, cząstki Majorany nie opuściły by lamusa historii fizyki. Nie zapominajmy więc ,że nowa fizyka, przestaje być ideą matematyczną, tylko w laboratoriach .
Literatura
[1] P.A.M.Dirac,The quantum theory of the electron,Proceedings of Royal Society of London,A117,A118,s.610-624,s.351-361,1928
[2] E.Majorana, Nuovo Cimento,14(1937)171.
[3] Ł.Cywiński,T.Dietl, Izolatory topologiczne - niespodzianki ukryte w strukturze pasmowej izolatorów, Postępy Fizyki T.61,z.4,s.134-140
[4] P.Hosur i inni : Majorana Modes at the Ends of Superconductor Vortices in Doped Topological Insulators,Phs.Rev.Lett. 107,o97001,2011
.
