在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中,物理学家发现了第一个实验证据,表明有些粒子既不属于费米子、也不属于玻色子,而属于一个新的、粒子第三王国。麻省理工学院获得诺贝尔奖的物理学家弗兰克·威尔泽克(Frank Wilczek)说:“我们有了玻色子和费米子,现在我们有了第三个王国”。“这绝对是一个里程碑。” 宇宙中的每个最后粒子,从宇宙射线到夸克,都是费米子或玻色子。这些类别将自然的构成部分分为了两个不同的王国。现在研究人员发现了第三个粒子王国的粒子——称为任意子。任意子(英语:anyon)的行为都不像费米子或玻色子。相反,他们的行为介于两者中间。 什么是任意子? 要了解量子粒子王国,考虑一回路图。想象两个不可区分的粒子,例如电子。取其中一个,然后环绕另一个,使其最终回到起点。似乎什么都没有改变。实际上,在量子力学的数学语言中,描述初始状态和最终状态的两个波动函数必须相等或相差-1。在量子力学中,通过对波动函数求平方来计算观察到的概率,因此-1的因数就会消失。 如果波函数相同,则量子粒子是玻色子。如果偏离-1倍,则是费米子。尽管该推导看似纯粹是数学上的,但它具有深远的物理后果。 如下图所示,从量子拓扑上可以推断出任意子的存在,量子系统制造的形状具有新颖性。 费米子是粒子世界的不爱交际的成员。它们永远不会占据相同的量子态。作为费米子的电子被迫进入一个原子周围的各种原子壳中。从这种简单的现象中出现了原子中的大部分空间、周期表的惊人变化以及所有化学反应。 另一方面,玻色子是群居的粒子,很高兴聚在一起并共享相同的量子态。因此,作为玻色子的光子可以互相穿过,从而使光线不受阻碍地传播而不是四处散射。 但是,如果当将一个量子粒子缠绕在另一个量子粒子上时,又回到不了相同的量子状态,会发生什么呢?要了解这种可能性,需要简要了解一下拓扑,即研究形状的数学。如果可以将一种形状转换为另一种形状而无需任何切割或粘合,则这两种形状在拓扑上是等效的。俗话说,一个甜甜圈和一个咖啡杯在拓扑上是等效的,因为一个可以轻轻地连续不断地成型为另一个。 任意子不适合两个已知的粒子王国中的任何一个。为了找到它们,物理学家不得不抹去三维空间。 考虑当我们围绕一个粒子旋转另一个粒子时所形成的循环。在三个维度上,可以将循环一直缩小到一个点。从拓扑上讲,好像粒子根本没有移动。 但是,在二维上,圈无法缩小,它被卡在另一个粒子上,无法在不削减圈的情况下缩小圈。由于这种只能在二维中找到限制,一个粒子围绕另一个粒子循环并不等于将粒子留在同一位置。 我们需要第三种可能性:任意子。由于它们的波动函数不限于定义费米子和玻色子的两个解,因此这些粒子可以自由地既不是两者、又可以是两者之间的任何东西。当威尔泽克首次创造“Anyon”(任意子)这一词时,即表示可能是任何东西(anything)。 实验 巴黎索邦大学(Sorbonne University)的物理学家格温达·费夫(Gwendal Fève)领导了最近的实验,他说:“拓扑学说是这些任意子可能存在的第一个迹象。” “剩下的就是物理系统。” 当电子被限制在二维运动时,几乎冷却到绝对零度且受到强磁场作用,非常奇怪的事情开始发生。在1980年代初期,物理学家首先使用这些条件来观察“分数量子霍尔效应”(英语:Fractional quantum Hall effect,简称FQHE))。在该效应中,电子聚在一起形成所谓的准粒子,该准粒子的电荷仅占单个电子的一部分。如果将电子的集体行为称为粒子似乎很奇怪,考虑质子,质子本身由三个夸克组成。 1984年,威尔泽克及其合作者撰写的开创性的两页论文表明,这些准粒子必须是任意子。但是研究团队从未在这些准粒子中观察到任何类似任意子的行为。也就是说,他们无法证明任意子都与费米子或玻色子不同,既没有聚在一起、也没有完全排斥。 这就是该新研究所做的。2016年,三位物理学家描述了一种实验装置,该装置类似于二维的微粒子对撞机。费夫和他的团队构建了类似的东西,并用它来粉碎任意子。通过测量对撞机中电流的波动,他们能够显示出任意子行为与理论预测完全一致。 布朗大学的物理学家德米特里·费尔德曼(Dmitri Feldman)表示:“一切都非常独特地符合该理论,没有问题。” “根据我的经验,这在该领域非常地不寻常。” 威尔泽克说:“很长一段时间以来有很多证据。” “但是,如果问:是否有特定现象可以指出,说任何现象都是造成该现象的原因,并且无法以其他任何方式对其进行解释?我认为在不同的水平上这都是相当显然的。”