Все, что мы видим, от облака дыма до твердой породы, принимает эту особую форму из-за коллективного поведения атомов, составляющих этот объект. Однако как атомы выбирают, как себя вести? И какой у них выбор? «Мы понимаем почти все о том, как ведет себя отдельная квантовая частица, — объясняет профессор Шеннон, — но если собрать группу квантовых частиц вместе, может произойти все, что угодно. Удивительно, но мы до сих пор не знаем, что происходит в такой простой вещи, как лед."
Молекула воды (H2O) образуется, когда ион кислорода образует ковалентные связи с двумя протонами (водородом). Во льду эти молекулы воды связаны более слабыми водородными связями, так что каждый кислород образует две короткие ковалентные связи и две длинные водородные связи со своими соседними протонами. Водяной лед уникален, потому что атомы кислорода упорядочены в кристаллы гексагональной формы, похожие на соты, но протоны водорода не имеют регулярной структуры.
Вместо этого они соблюдают так называемые «правила льда»: каждая связь может содержать только один протон, а каждый ион кислорода имеет два соседних протона; но у протонов есть практически бесконечное количество способов удовлетворить это правило, даже в небольшом куске льда. Итак, протоны во льду упорядочены или неупорядочены?Ученые OIST ответили на этот первый вопрос, предложив теоретическое объяснение результатов эксперимента, проведенного в Англии, в котором нейтроны были рассеяны на кристаллах замороженной тяжелой воды (D20).
Когда нейтроны рассеиваются на упорядоченных атомах кристалла, эксперименты показывают регулярный узор пятен. Между тем рассеяние на полностью разупорядоченных атомах однородно и безлико.
Но с протонами во льду ничего из этого не происходит, и эксперименты вместо этого показывают узоры, похожие на бабочки и буквы «М». «Изгибы», технически называемые «точками защемления», особенно интересны, потому что они показывают, что протоны не полностью разупорядочены. Этот образец очень редко встречается в природе, он встречается только во льду, типе магнита, называемом спиновым льдом, и классе материалов, называемых протонно-связанными сегнетоэлектриками. «Наличие точек защемления говорит нам о том, что протоны можно математически описать с помощью теории, называемой калибровочной теорией, которая является общей для всех фундаментальных сил природы. Это одна из лучших уловок природы», — объясняет профессор Шеннон. «и является основой Стандартной модели элементарных частиц».Команда OIST также проанализировала лед под другим углом, с точки зрения квантовой физики.
Квантовая физика позволяет протонам перескакивать с одного места на другое с помощью явления, называемого квантовым туннелированием. Следовательно, хотя положение кислорода стабильно и упорядочено, протоны могут иметь более жидкое поведение. «Протоны в водяном льду не неподвижны, они танцуют вокруг кислорода», — поясняет профессор Шеннон. «Эксперименты показывают, что протоны неупорядочены и подвижны даже при температурах, близких к -268 ºC».Используя квантовую версию своей калибровочной теории, ученые OIST предложили теоретическое объяснение результатов другого эксперимента, также проведенного в Англии, который измерял энергию, поглощаемую льдом из пучка нейтронов, проходящего через него. «Когда вы поете стакану, вы можете заставить его вибрировать.
Когда нейтроны разлетаются от протонов во льду, они делают то же самое», — объясняет профессор Шеннон. Но в этом случае коллективная «вибрация» неупорядоченных протонов имеет совершенно особую форму: она ведет себя точно так же, как фотоны, элементарные частицы, из которых состоит свет. Однако, в то время как обычные фотоны представляют собой колебания электрического и магнитного полей, фотоны льда состоят из протонов, движущихся согласованно. «Математика, объясняющая коллективное движение протонов во льду, точно такая же, как математика, описывающая свет. Движение света и протонов во льду очень похожи», — отмечает доктор Оуэн Бентон, первый автор этого исследования.
«Чем больше мы узнаем о воде, тем больше понимаем, что это одна из самых странных и прекрасных вещей во Вселенной», — заключает профессор Шеннон. Подумайте об этом, потягивая свой любимый прохладительный напиток!