Όλη η ύλη του σύμπαντος – ό,τι βλέπουμε, νιώθουμε και οσμιζόμαστε – έχει κάποια προβλέψιμη δομή, χάρη στα μικροσκοπικά ηλεκτρόνια που στριφογυρίζουν γύρω από τους ατομικούς πυρήνες τους σε μια σειρά από ομόκεντρους φλοιούς ή ατομικά επίπεδα. Ένα θεμελιώδες αξίωμα αυτής της ομαλής δομής είναι ότι δεν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια που μπορούν να καταλάβουν το ίδιο ατομικό επίπεδο (ή κβαντική κατάσταση), την ίδια στιγμή – που ονομάζεται Απαγορευτική Αρχή του Pauli, η οποία βασίζεται στη θεωρία του Άλμπερτ Αϊνστάιν της σχετικότητας και της κβαντικής θεωρίας. Ωστόσο, μια ομάδα φυσικών του Πανεπιστημίου των Συρακουσών ανέπτυξε πρόσφατα ένα νέο θεωρητικό μοντέλο για να εξηγήσει πώς η Απαγορευτική Αρχή του Pauli μπορεί να παραβιαστεί και πώς, κάτω από ορισμένες σπάνιες συνθήκες, περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια μπορεί να καταλάβουν ταυτόχρονα την ίδια κβαντική κατάσταση.
Το μοντέλο τους, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, μπορεί να εξηγήσει το πώς συμπεριφέρεται ή ύλη στα άκρα των μελανών οπών και να συμβάλλουν στην συνεχιζόμενη επιστημονική αναζήτηση για μια ενοποιημένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
«Οι μεταβάσεις των ηλεκτρονίων από τη μία στιβάδα στην άλλη που παραβιάζουν την Αρχή του Pauli είναι μια πρόκληση για τα θεμέλια της Φυσικής», λέει ο A.P. Balachandran, καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών. "Για το λόγο αυτό, υπάρχει ισχυρό πειραματικό ενδιαφέρον για να παρατηρήσουν αυτές τις μεταβάσεις. Μέχρι σήμερα, υπήρχαν λίγα βιώσιμα μοντέλα που να μπορούν να εξηγήσουν το πώς μπορεί να συμβούν αυτές οι μεταβάσεις. Η θεωρία μας προσφέρει ένα τέτοιο μοντέλο."
Ο Balachandran είναι ο επικεφαλής συντάκτης της δημοσίευσης μαζί με τους υποψήφιους διδάκτορες Anosh Joseph και Pramod Padmanabhan.
Ο μεθοδικός τρόπος με τον οποίο γεμίζουν τα ηλεκτρόνια τα ατομικά επίπεδα παρέχει μια σταθερότητα και δομή στην ύλη, αλλά και υπαγορεύει τις χημικές ιδιότητες των στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα. Ο απώτερος στόχος της σταθερότητας είναι η δυνατότητα να εντοπίσουμε την θέση των ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων, με σχεδόν ακρίβεια στον χώρο και το χρόνο. Το νέο μοντέλο, ξεκινούσε από το ότι στο επίπεδο όπου η κβαντική βαρύτητα είναι σημαντική, αυτή η εικόνα του χωροχρόνου σπάζει, επηρεάζοντας βαθιά την περιστροφική συμμετρία των ατόμων και προκαλώντας τέτοιες μεταβάσεις των ηλεκτρονίων (μετακίνηση από το ένα στο άλλο επίπεδο), που παραβιάζουν την αρχή Pauli.
«Η αρχή του Pauli δεν υπάκουσε στο υπόδειγμα που φτιάξαμε», λέει ο Balachandran. "Εμείς τότε χρησιμοποιήσαμε τα υπάρχοντα πειραματικά στοιχεία για να θέσουμε όρια για το πότε μπορεί να συμβούν αυτές οι παραβιάσεις στις μεταβάσεις."
Σύμφωνα με το μοντέλο, οι παραβιάσεις της Αρχής του Πάουλι θεωρητικά, εμφανίζονται στη φύση σε ένα χρονικό διάστημα που είναι μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος.
"Αν και αυτή η επίδραση είναι μικρή, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν υψηλής ακρίβειας όργανα για να προσπαθήσουν να παρατηρήσουν το φαινόμενο αυτό," λέει ο Balachandran. "Αν βρεθεί, θα επηρεάσει βαθύτατα τα θεμέλια των σημερινών θεμελιωδών φυσικών θεωριών."
"Επιπροσθέτως, η χημεία και η βιολογία σε έναν κόσμο όπου αυτές οι παραβιάσεις συμβαίνουν θα είναι δραματικά διαφορετικές," προσθέτει ο Pramod Padmanabhan.
Το γεγονός ότι η Απαγορευτική Αρχή του Pauli μπορεί να παραβιαστεί, μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση του πώς συμπεριφέρεται η ύλη στην άκρη των μαύρων οπών, τονίζει ο Joseph: «Αν και δεν γνωρίζουμε τι συμβαίνει με την ύλη σε μια μαύρη τρύπα, το μοντέλο μας μπορεί να δώσει συμβουλές για το πώς η ύλη συμπεριφέρεται, καθώς τα άτομα καταρρέουν κάτω από τη βαρυτική έλξη στις μαύρες τρύπες.”
