第五百三十七章 关于“任意子”的一个发现
        任意子的存在是从量子拓扑中推断出来的。

        宇宙中的每一个粒子（从宇宙射线到夸克）不是费米子就是玻色子。这些类别将自然的构建块划分为两个截然不同的粒子王国。现在，研究人员发现了第三个粒子王国的第一个例子。

        任意子，正如我们所知，即不像费米子也不像玻色子。相反，他们的行为介于两者之间。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，证明这些粒子不属于任何一个王国。”我们有玻色子和费米子，现在我们有了第三个王国，”诺贝尔奖得主、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克说。“这绝对是一个里程碑。”

        新粒子“任意子”的发现呈现出一个新的粒子世界，物理学的里程碑

        要理解量子王国，可以想象一幅循环图。想象两个无法区分的粒子，比如电子。取其中一个，然后环绕另一个，这样它就会回到它开始的地方。一切似乎都没有改变。事实上，在量子力学的数学语言中，描述初态和末态的两个波函数必须要么等于，要么相差-1。（在量子力学中，你可以通过平方这个波函数来计算你所观察到的概率，所以-1的系数就被消去了。）

        如果波函数是相同的，那么量子粒子就是玻色子。如果它们差了一个系数-1，那么就是费米子。虽然推导看起来像是一个纯粹的数学问题，但它具有深刻的物理意义。

        费米子是粒子世界的“**成员”。它们从不占据相同的量子态。正因为如此电子（也就是费米子）被强迫进入一个原子周围不同的壳层中。从这个简单的现象中产生了原子的大部分空间，元素周期表的惊人多样性，以及所有的化学。

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        另一方面，玻色子是群居的粒子，它们乐于聚在一起，共享相同的量子态。因此，光子（即玻色子）可以相互穿透，使光线不受阻碍地传播，而不是四处散射。

        但是，如果当你将一个量子粒子环绕在另一个量子粒子上时，又没有回到相同的量子状态，会发生什么呢？为了理解这种可能性，我们需要稍微离题到拓扑学。如果一种形状可以不经过任何切割或粘合而转变成另一种形状，那么两种形状在拓扑上是等价的。俗话说，甜甜圈和咖啡杯在拓扑结构上是等价的，因为它们可以被轻轻不断地塑造成另一个。

        让一个粒子绕着另一个粒子旋转，会产生一个循环。在三维空间中，你可以把这个循环一直缩小到一个点。从拓扑学上讲，这个（粒子）好像根本没有移动过。

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        然而，在二维空间中，循环不会缩小。它被另一个粒子卡住了。由于这个限制（只有在二维中才会发现），让一个粒子绕着另一个粒子旋转并不等于把它留在同一个地方。

        我们需要第三种粒子的可能性：任意粒子。由于它们的波函数不局限于定义费米子和玻色子的两个解，这些粒子可以不是这两个解中的任何一个，而是介于两者之间的任何一个。当威尔切克第一次创造任意子这个词时，它是一种半开玩笑的暗示，意思是任何事情都可以发生。

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        巴黎索邦大学的物理学家格温达尔·费弗领导了最近的这项实验，他说：“拓扑论证是第一个迹象，表明这些任意子可能存在。”“剩下的就是物理系统了。”

        当电子被限制在二维空间运动，冷却到接近绝对零度，并受到强磁场的作用时，非常奇怪的事情开始发生。在20世纪80年代早期，物理学家首先利用这些条件来观察“分数量子霍尔效应”，在这个效应中，电子聚集在一起产生了所谓的准粒子，其电荷只有单个电子的一小部分。（如果把电子的集体行为称为粒子似乎有些奇怪，想想质子，它本身就是由三个夸克组成的。）

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        1984年，威尔切克、丹尼尔·阿罗瓦斯和约翰·罗伯特·施里弗在一篇两页纸的论文中指出，这些准粒子必须是任意粒子。但科学家们从未在这些准粒子中观察到类似于任意子的行为。也就是说，他们无法证明任意子既不像费米子，也不像玻色子，既不聚在一起，也不完全相互排斥。

        这就是这项新研究的目的。2016年，三位物理学家描述了一个类似于二维粒子对撞机的实验装置，用它来把任意子撞在一起。通过测量对撞机中电流的波动，他们能够证明任意子的行为完全符合理论预测。

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        布朗大学物理学家德米特里·费尔德曼没有参与最近的研究，他说，“一切都与这个理论非常契合，没有任何疑问。”“根据我的经验，这在这个领域是很不寻常的。”

        “在很长一段时间里，已经有了很多证据，”威尔切克说。但如果你问：是否存在一种特定的现象，你可以指出并说任意子导致了这种现象，而你无法用其他任何方式解释它。我认为这在一个不同的层面上是非常明显的。”

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