W każdym systemie jednostek jest taka sama, a jej niewielka zmiana (rzędu kilku procent) sprawiłaby, że reakcje jądrowe syntezy węgla (z trzech jąder He) i tlenu (z węgla i helu) by ustały, co, oczywiście, doprowadziłoby do braku pierwiastków, z których mogłaby się utworzyć materia organiczna - czyli my. Obserwacja ta stanowi sedno tzw. zasady antropicznej, która głosi, że stałe fizyczne naszego Wszechświata mają dokładnie takie wartości, aby mogło zaistnieć życie. W teorii wielu (wszech)światów oznacza to, że w Wielkim Wybuchu powstały, być może, i inne wszechświaty, z innymi stałymi fizycznymi i innymi wymiarami przestrzennymi, ale nie ma ich kto badać, gdyż tylko nasz ma parametry umożliwiające powstanie życia. A do innych wszechświatów nie mamy dostępu. Czyżby?

A gdybyśmy mieli możliwość zbadania wszechświata cząstek o ułamkowym ładunku elementarnym? Cząstek o ujemnej masie? Elektronów bezmasowych? Ciężkich fotonów? Monopoli magnetycznych? Egzotycznych cząstek niebędących ani fermionami, ani bozonami? Moglibyśmy testować prawa fizyki egzotycznych wszechświatów i obserwować zjawiska, które na co dzień nie występują w przyrodzie, np. całkiem bezpieczną anihilację dodatnich i ujemnych elektronów w trój- dwu- albo jednowymiarowej przestrzeni.

Może troszeczkę przesadziłem z tymi "innymi prawami fizyki" - tych nie zmienimy, ale możemy zmienić elementarne cząstki budujące nasz hipotetyczny wszechświat i zobaczyć, w jaki sposób mogą wchodzić w interakcje. Musimy zatem przejść do "innego wszechświata" - będzie nim kryształ. Zwykły kryształ - może być metal, półprzewodnik, izolator - byleby atomy układały się w periodyczną strukturę przestrzenną, byleby można było go jakoś pobudzić (światłem, temperaturą, napięciem, polem magnetycznym itp.) i byleby można to pobudzenie jakoś śledzić, badać. Kryształ niepobudzony będziemy traktowali jak próżnię, a elementarne wzbudzenia takiego kryształu będą naszymi cząstkami elementarnymi, które będą wchodziły w interakcje i które pozwolą na testowanie zwariowanych teorii fizycznych. Oczywiście, nie są to prawdziwe cząstki elementarne (choć wolałbym się nie wdawać w dyskusję znaczenia słowa "prawdziwy"), tylko jakby-cząstki, więc mówimy o nich kwazi-cząstki. Ich właściwości będą zależały od wielu rzeczy, ale przede wszystkim od rodzaju materiału, który badamy i od jego wymiarowości. Tak, możemy badać kwazi-wszechświaty trójwymiarowe, jak nasz, ale i dwu-, jedno- i zerowymiarowe.

Weźmy, na przykład, elektron w krysztale krzemu. Każdy atom krzemu ma czterech sąsiadów, z którymi uwspólnia elektrony walencyjne, tworząc kowalencyjne wiązania chemiczne zgodnie z regułą oktetu. Taki kryształ - w którym elektrony obsadzają dozwolone stany i wypełniają wszystkie miejsca na powłoce walencyjnej - jest właśnie naszą kwazi-próżnią. Ale krzem, jako pierwiastek chemiczny, ma więcej "miejsc" na swoje elektrony - chodzi o stany wzbudzone, normalnie puste (czyli nieobsadzone elektronami), ale które pod wpływem jakiegoś zaburzenia mogą zostać przez chwilę obsadzone. Astronomowie używają takich stanów wzbudzonych np. do badania, czy w danej gwieździe są "linie widmowe krzemu" - te linie widmowe są właśnie efektem przechodzenia elektronów pomiędzy różnymi powłokami atomu krzemu. Okazuje się, że w krysztale te puste powłoki też tworzą miejsce dla wzbudzonych elektronów. W odróżnieniu od pojedynczego atomu kryształ ma tych miejsc bardzo dużo, tak, że nie mówimy już o "poziomach", ale o "pasmach". I tu niespodzianka - elektron, który zostanie przeniesiony do takiego pustego pasma (zwanego pasmem przewodnictwa) z pasma zapełnionego, w którym tworzył wiązania (zwanego pasmem walencyjnym), porusza się w krysztale krzemu tak, jakby kryształu nie było! Jakby nie było w atomów, z którymi mógłby się zderzać, nie było w innych elektronów, na które mógłby wpadać - nic, próżnia, elektron swobodny!

Elektron zachowuje się jak fala materii (fala de Broglie'a) i okazuje się, że ośrodek periodyczny, jakim jest kryształ, tylko w niewielkim stopniu modyfikuje jego właściwości w porównaniu z elektronem swobodnym. Elektrony o różnej energii mają różną długość fali i w zasadzie największy wpływ sieć krystaliczna ma na elektrony, których długość fali jest wielokrotnością odległości pomiędzy atomami. Niemniej nawet te elektrony w krysztale możemy traktować jak cząstki swobodne, poruszające się bez rozproszeń. Elektron w paśmie przewodnictwa jest właśnie "elementarnym wzbudzeniem" kryształu. Jaką cenę musimy zapłacić za taki prosty model? Po pierwsze, nasz elektron ma inną masę niż elektron swobodny (oznaczmy tę masę ): w zależności od materiału może to być masa albo i a czasami nawet 0 (grafen!). W przypadku krzemu jest to około Po drugie, jeśli został wzbudzony z pasma walencyjnego, to po pewnym czasie do niego powróci - emitując nadmiar energii, np. w postaci fotonu albo jeszcze fononu (o fononach za chwilę). Czyli zanihiluje - wyemituje jakoś swoją energię i po procesie anihilacji pozostanie znowu "kwazi-próżnia", czyli pusty kryształ. OK, to z czym on zanihiluje, co to za "antycząstka", która pożarła nasz elektron? To jest anty-elektron, czyli tzw. "pusty" stan, opuszczony na chwilę przez elektron. Jeśli puste pasmo porównać do pustej butelki, a elektron do kropli wody, to pełne pasmo możemy utożsamić z butelką napełnioną po korek, z której "odlano" kropelkę, taki kwazi-bąbelek. Otóż ten pusty stan - który nazywa się dziura - także może swobodnie po krysztale podróżować. Tyle tylko, że tak jak bąbelek w butelce, zachowuje się odwrotnie niż pozostałe elektrony-kropelki. Jak włączymy pole elektryczne, to elektron poleci w stronę ładunku dodatniego, a dziura - w kierunku ujemnego (bo wszystkie elektrony z pasma walencyjnego poleciały w stronę dodatniego - to jak przechylanie butelki z bąbelkiem). Dziura więc jest kwazi-cząstką o dodatnim ładunku elektrycznym. Wszystko się zgadza - ujemny elektron, anihilując z dodatnią dziurą, pozostawia pusty, nienaładowany kryształ. Ale zaraz - jeśli w naszym kwazi-wszechświecie pojawił się ładunek dodatni i ujemny, to może powstanie i kwazi-wodór, składający się z dwóch ładunków? I rzeczywiście - elektrony i dziury tworzą takie stany związane - nazywają się one ekscytonami (kolejna kwazi-cząstka!). Przypominają nie tyle wodór, co pozytonium - układ elektronu i pozytonu, który po pewnym czasie może zanihilować. Ale ekscytony mogą tworzyć podstawę naszego kwazi-układu okresowego: mogą tworzyć cząsteczkę bi-ekscytonu (dwa ekscytony), zjonizowanego ekscytonu (tzw. trionu) itd. Taki ekscyton można w pewnych warunkach silnie sprząc ze światłem, tworząc tzw. polaryton - stan mieszany fotonu i ekscytonu, który w odpowiednio dużej koncentracji polarytonów z kolei może przejść do fazy kondensatu Bosego-Einsteina... Ufff. Ważne jest to, że to działa, że możemy budować z kwazi-cząstek elementarnych, takich jak elektron i dziura, coraz bardziej skomplikowane obiekty.

Niektóre egzotyczne stany materii wynikają np. z obecności elektronów o zerowej masie - takiego elektronu w krysztale nie da się zatrzymać, musi poruszać się z "prędkością światła dla elektronu" (dziwnie brzmi) - w grafenie jest ona tylko 300 razy mniejsza od prędkości światła. I znowu - możemy na stole laboratoryjnym testować ultrarelatywistyczną fizykę, wyrafinowane teorie fermionów Majorany - wszystko dzięki kwazi-cząstkom.

Sam kryształ - rozumiany jako sieć atomów - też nie jest tylko biernym ośrodkiem. W krysztale możemy wzbudzić atomy do drgań - wystarczy podnieść temperaturę. Znowu - elementarne wzbudzenie możemy traktować jak kwazi-cząstkę, która będzie mogła się poruszać po krysztale. Taka cząstka to fonon - może oddziaływać z elektronami, dziurami, podgrzewać ekscytony albo pomagać im osiągnąć równowagę termodynamiczną. Jest analogiem "nośnika oddziaływania", kwazi-bozonem. Dodatkowo innego rodzaju wzbudzenia - magnetyczne, pomiędzy zlokalizowanymi momentami magnetycznymi w atomach tworzących kryształ, mogą być źródłem magnonów (fal spinowych), skyrmionów, a nawet monopoli magnetycznych! Budując kryształy z kryształów - tzw. struktury fotoniczne - możemy badać ciężkie fotony, czyli światło, które ma masę i da się nawet na chwilę "zatrzymać".

Warto na koniec dodać, że charakter kwazi-cząstek można kontrolować przez zmianę wymiaru przestrzeni, w której je badamy. Jeśli zmusimy elektrony i dziury do ruchu tylko w jednej płaszczyźnie, np. wytwarzając bardzo cienką, kilkunanometrową warstwę kryształu, wtedy mamy do czynienia z kwazi-wszechświatem dwuwymiarowym (tzw. studnią kwantową), jeśli tę warstwę pokroimy jak makaron, dostaniemy obiekty jednowymiarowe (druty kwantowe), a jak dalej posiekamy ten makaron na drobne kawałeczki, dostaniemy kropki kwantowe - obiekty zerowymiarowe (kwazi-zerowymiarowe), które można traktować jak sztuczne atomy. Zastosowania? Np. lasery półprzewodnikowe to studnie kwantowe, w których dokonujemy skuteczniej anihilacji elektronów i dziur; kropki kwantowe były niedawno hitem nowoczesnych luminoforów w telewizorach.

Nasze możliwości są w zasadzie nieograniczone. Badaniami tego typu zjawisk zajmuje się fizyka ciała stałego i nanotechnologia, zastosowania sięgają urządzeń półprzewodnikowych, optycznych, przetwarzania informacji - także kwantowej, bo komputery kwantowe też można zaprojektować z kwazi-cząstek. Badania trwają, przecież jest tyle kwazi-wszechświatów do odkrycia!