第537章 K-穩定性概念

  任意子的存在是從量子拓撲中推斷出來的。


  宇宙中的每一個粒子（從宇宙射線到誇克）不是費米子就是玻色子。這些類別將自然的構建塊劃分為兩個截然不同的粒子王國。現在，研究人員發現了第三個粒子王國的第一個例子。


  任意子，正如我們所知，即不像費米子也不像玻色子。相反，他們的行為介於兩者之間。在最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文中，物理學家發現了第一個實驗證據，證明這些粒子不屬於任何一個王國。”我們有玻色子和費米子，現在我們有了第三個王國，”諾貝爾獎得主、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克說。“這絕對是一個裏程碑。”


  新粒子“任意子”的發現呈現出一個新的粒子世界，物理學的裏程碑


  要理解量子王國，可以想象一幅循環圖。想象兩個無法區分的粒子，比如電子。取其中一個，然後環繞另一個，這樣它就會回到它開始的地方。一切似乎都沒有改變。事實上，在量子力學的數學語言中，描述初態和末態的兩個波函數必須要麽等於，要麽相差-1。（在量子力學中，你可以通過平方這個波函數來計算你所觀察到的概率，所以- 1的係數就被消去了。）

  如果波函數是相同的，那麽量子粒子就是玻色子。如果它們差了一個係數-1，那麽就是費米子。雖然推導看起來像是一個純粹的數學問題，但它具有深刻的物理意義。


  費米子是粒子世界的“反社會成員”。它們從不占據相同的量子態。正因為如此電子（也就是費米子）被強迫進入一個原子周圍不同的殼層中。從這個簡單的現象中產生了原子的大部分空間，元素周期表的驚人多樣性，以及所有的化學。


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  另一方麵，玻色子是群居的粒子，它們樂於聚在一起，共享相同的量子態。因此，光子（即玻色子）可以相互穿透，使光線不受阻礙地傳播，而不是四處散射。


  但是，如果當你將一個量子粒子環繞在另一個量子粒子上時，又沒有回到相同的量子狀態，會發生什麽呢？為了理解這種可能性，我們需要稍微離題到拓撲學。如果一種形狀可以不經過任何切割或粘合而轉變成另一種形狀，那麽兩種形狀在拓撲上是等價的。俗話說，甜甜圈和咖啡杯在拓撲結構上是等價的，因為它們可以被輕輕不斷地塑造成另一個。


  讓一個粒子繞著另一個粒子旋轉，會產生一個循環。在三維空間中，你可以把這個循環一直縮小到一個點。從拓撲學上講，這個（粒子）好像根本沒有移動過。


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  然而，在二維空間中，循環不會縮小。它被另一個粒子卡住了。由於這個限製（隻有在二維中才會發現），讓一個粒子繞著另一個粒子旋轉並不等於把它留在同一個地方。


  我們需要第三種粒子的可能性：任意粒子。由於它們的波函數不局限於定義費米子和玻色子的兩個解，這些粒子可以不是這兩個解中的任何一個，而是介於兩者之間的任何一個。當威爾切克第一次創造任意子這個詞時，它是一種半開玩笑的暗示，意思是任何事情都可以發生。


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  巴黎索邦大學的物理學家格溫達爾·費弗領導了最近的這項實驗，他說：“拓撲論證是第一個跡象，表明這些任意子可能存在。”“剩下的就是物理係統了。”


  當電子被限製在二維空間運動，冷卻到接近絕對零度，並受到強磁場的作用時，非常奇怪的事情開始發生。在20世紀80年代早期，物理學家首先利用這些條件來觀察“分數量子霍爾效應”，在這個效應中，電子聚集在一起產生了所謂的準粒子，其電荷隻有單個電子的一小部分。（如果把電子的集體行為稱為粒子似乎有些奇怪，想想質子，它本身就是由三個誇克組成的。）

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  1984年，威爾切克、丹尼爾·阿羅瓦斯和約翰·羅伯特·施裏弗在一篇兩頁紙的論文中指出，這些準粒子必須是任意粒子。但科學家們從未在這些準粒子中觀察到類似於任意子的行為。也就是說，他們無法證明任意子既不像費米子，也不像玻色子，既不聚在一起，也不完全相互排斥。


  這就是這項新研究的目的。2016年，三位物理學家描述了一個類似於二維粒子對撞機的實驗裝置，用它來把任意子撞在一起。通過測量對撞機中電流的波動，他們能夠證明任意子的行為完全符合理論預測。


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  布朗大學物理學家德米特裏·費爾德曼沒有參與最近的研究，他說，“一切都與這個理論非常契合，沒有任何疑問。”“根據我的經驗，這在這個領域是很不尋常的。”


  “在很長一段時間裏，已經有了很多證據，”威爾切克說。但如果你問：是否存在一種特定的現象，你可以指出並說任意子導致了這種現象，而你無法用其他任何方式解釋它。我認為這在一個不同的層麵上是非常明顯的。”