Eine entscheidende Zahl, die das Universum regiert, wird in einem seltsamen Quantenmaterial groß.
Die Feinstrukturkonstante beträgt etwa das Zehnfache ihres Normalwertes in einer Art von Material namens Quantenspineis, berechnen Physiker im September 10 Physische Überprüfungsschreiben. Die neue Berechnung deutet darauf hin, dass Quanten-Spin-Eis einen Einblick in die Physik in einem alternativen Universum geben könnte, in dem die Konstante viel größer ist.
Mit einem Einfluss, der Physik und Chemie durchdringt, bestimmt die Feinstrukturkonstante die Stärke der Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Sein Wert, etwa 1/137, verunsichert Physiker, weil sie nicht erklären können, warum er diesen Wert hat, obwohl er für die komplexe Chemie, die die Grundlage des Lebens ist, notwendig ist (SN: 11/2/16).
Wäre die Feinstrukturkonstante im gesamten Kosmos so groß wie die in Quantenspin-Eis, „besäße das Periodensystem nur 10 Elemente“, sagt der theoretische Physiker Christopher Laumann von der Boston University. „Und es wäre wahrscheinlich schwer, Leute zu gewinnen; Chemie wäre nicht reichhaltig genug.“
Quanten-Spin-Eis sind eine Klasse von Substanzen, in denen sich Teilchen nicht einigen können. Die Materialien bestehen aus Teilchen mit Spin, einer Quantenversion des Drehimpulses, die sie magnetisch macht. In einem normalen Material würden Partikel unterhalb einer bestimmten Temperatur zu einem Konsens kommen, wobei die Magnetpole entweder in die gleiche Richtung oder in abwechselnde Richtungen ausgerichtet sind. Aber in Quantenspin-Eis sind die Teilchen so angeordnet, dass die magnetischen Pole oder äquivalent die Spins selbst bei einer Temperatur vom absoluten Nullpunkt nicht übereinstimmen können (SN: 13.02.11).
Die Sackgasse entsteht aufgrund der Geometrie der Materialien: Die Partikel befinden sich an den Ecken einer Anordnung von Pyramiden, die an den Ecken verbunden sind. Konflikte zwischen mehreren Gruppen von Nachbarn bedeuten, dass diese Partikel der Harmonie am nächsten kommen können, wenn sie sich so anordnen, dass zwei Spins von jeder Pyramide nach außen und zwei nach innen gerichtet sind.
Dieser unbehagliche Waffenstillstand kann zu Störungen führen, die sich wie Teilchen im Material oder Quasiteilchen verhalten (SN: 10/3/14). Wenn man die Spins der Teilchen umdreht, erhält man sogenannte Spinons, Quasiteilchen, die sich durch das Material bewegen und mit anderen Spinonen auf ähnliche Weise wie Elektronen und andere geladene Teilchen in der Welt außerhalb des Materials wechselwirken können. Das Material bildet die Theorie der Quantenelektrodynamik nach, das Standardmodell der Teilchenphysik, das herausarbeitet, wie elektrisch geladene Teilchen ihr Ding machen. Aber die Besonderheiten, einschließlich der Feinstrukturkonstante, stimmen nicht unbedingt mit denen im weiteren Universum überein.
Also machten sich Laumann und Kollegen auf, erstmals die Feinstrukturkonstante in Quantenspin-Eis zu berechnen. Das Team legte die Zahl bei etwa 1/10 statt 1/137 fest. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass sie den Wert der Feinstrukturkonstanten ändern konnten, indem sie die Eigenschaften des theoretischen Materials optimierten. Das könnte Wissenschaftlern helfen, die Auswirkungen einer Änderung der Feinstrukturkonstante zu untersuchen – ein Test, der in unserem eigenen Universum, in dem die Feinstrukturkonstante festgelegt ist, weit außerhalb der Reichweite liegt.
Leider haben Wissenschaftler noch kein Material gefunden, das sich definitiv als Quanten-Spin-Eis qualifiziert. Aber ein viel untersuchtes Ziel ist eine Gruppe von Mineralien, die Pyrochlore genannt werden und magnetische Ionen oder elektrisch geladene Atome haben, die in der entsprechenden Pyramidenkonfiguration angeordnet sind. Wissenschaftler könnten die Materialien auch mit einem Quantencomputer oder einem anderen Quantengerät untersuchen, das entwickelt wurde, um Quantenspin-Eis zu simulieren (SN: 29.06.17).
Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, Quanten-Spin-Eis zu erzeugen, könnten die Materialien zeigen, wie die Quantenelektrodynamik und das Standardmodell in einem Universum mit einer viel größeren Feinstrukturkonstante funktionieren würden. „Das wäre die Hoffnung“, sagt Shivaji Sondhi, Theoretiker der kondensierten Materie von der Universität Oxford, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Es ist interessant, ein gefälschtes Standardmodell zu machen … und zu fragen, was passieren würde.“