最為奇特和最具潛在應(yīng)用的準(zhǔn)粒子介紹

準(zhǔn)粒子描述的是一類(lèi)自發(fā)產(chǎn)生的、行為和特點(diǎn)類(lèi)似粒子的物理實(shí)體。準(zhǔn)粒子不斷被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)象也一個(gè)比一個(gè)更奇異。下面我們就來(lái)介紹一些最為奇特和最具潛在應(yīng)用的準(zhǔn)粒子。

哈里·金（Harry Kim） 是美國(guó)航海家號(hào)星際飛船上的一名軍官，他在另一個(gè)世界中醒來(lái)，用一束極化子(polaron)彎曲了時(shí)空連續(xù)體。聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)？對(duì)，但不全是。

“星際迷航常常借用一些真實(shí)準(zhǔn)粒子的名字，然后賦予它們一些神奇的特性?！钡驴怂_斯州萊斯大學(xué)的物理學(xué)家道格拉斯·納泰爾森(Douglas Natelson)說(shuō)。他的工作是創(chuàng)造真實(shí)存在的準(zhǔn)粒子。

準(zhǔn)粒子是粒子的一種。17個(gè)“基本”粒子被認(rèn)為是所有物質(zhì)的組成部分，準(zhǔn)粒子雖被擋在基本粒子的門(mén)外，卻是從這些基本粒子間的復(fù)雜相互作用中出現(xiàn)的。物理學(xué)家可以把由大量粒子組成的固體、液體或等離子體置于極端的溫度和壓力下，并將此條件下的系統(tǒng)描述為幾個(gè)“魯棒的、類(lèi)似粒子的”實(shí)體。出現(xiàn)的準(zhǔn)粒子可以非常穩(wěn)定，具有質(zhì)量和電荷等完全定義的性質(zhì)。

例如，極化子是在1933年由列夫·朗道(Lev Landau)發(fā)現(xiàn)的，它客串了1995年的《星際迷航：旅行者》。當(dāng)一些電子被困在晶體中時(shí)，極化子就出現(xiàn)了。每個(gè)電子和它周?chē)乃辛Ｗ又g的吸引和排斥作用“修飾”了電子，使它表現(xiàn)得像一個(gè)質(zhì)量更大的準(zhǔn)粒子。

在過(guò)去幾十年里主導(dǎo)研究的其他類(lèi)型的凝聚態(tài)物質(zhì)中，事情開(kāi)始變得非常奇怪。研究人員可以創(chuàng)造出具有任意精確分?jǐn)?shù)倍電子電荷或自旋（一種內(nèi)稟角動(dòng)量）的準(zhǔn)粒子。這些奇特的特性是如何產(chǎn)生的，目前還不清楚。馬里蘭大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家?？枴み_(dá)斯·薩爾瑪(Sankar Das Sarma)說(shuō)：“這簡(jiǎn)直就像魔法。”

通過(guò)直覺(jué)、有根據(jù)的猜測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬，凝聚態(tài)物理學(xué)家已經(jīng)能夠更好地計(jì)算出哪些準(zhǔn)粒子在理論上是可能的。與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室里，隨著物理學(xué)家將新材料推向新的極端，準(zhǔn)粒子的世界迅速發(fā)展，變得越來(lái)越奇特。納泰爾森說(shuō)：“這確實(shí)是一項(xiàng)杰出的智力成就?！?/p>

最近的發(fā)現(xiàn)包括π子(pi-ton)，不可移動(dòng)的分形子(fracton)和扭曲的褶皺子(wrinklon)。牛津大學(xué)的理論凝聚態(tài)物理學(xué)家史蒂夫·西蒙說(shuō)：“我們現(xiàn)在考慮的準(zhǔn)粒子的性質(zhì)是我們以前做夢(mèng)都沒(méi)想過(guò)的?！?/p>

下面是一些最為奇怪和有潛在應(yīng)用的準(zhǔn)粒子。

用馬約拉納子進(jìn)行量子計(jì)算

最早發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)粒子是“空穴”(hole)，它的概念很簡(jiǎn)單，就是在本該存在電子的位置沒(méi)有電子。二十世紀(jì)四十年代的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，空穴可以像帶正電的粒子一樣在固體中跳來(lái)跳去。

更奇怪的、也更有用處的是假想的馬約拉納準(zhǔn)粒子，它有一種分裂的特性：它同時(shí)是半個(gè)電子和半個(gè)空穴?！熬褪沁@么瘋狂。”達(dá)斯·薩爾瑪說(shuō)。

2010年，達(dá)斯·薩爾瑪和他的合作者認(rèn)為，馬約拉納準(zhǔn)粒子可以用來(lái)制作量子計(jì)算機(jī)。當(dāng)電子和空穴在對(duì)方周?chē)苿?dòng)時(shí)，它們就能存儲(chǔ)信息，就像將圖案編入兩根繩子。不同擰繩子的方法對(duì)應(yīng)于1，0以及1和0的疊加，它們是量子計(jì)算中的比特。

到目前為止，由于大多數(shù)粒子的量子疊加狀態(tài)在高溫或與其他粒子碰撞時(shí)會(huì)失效，所以建造量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)都遇到了困難。馬約拉納準(zhǔn)粒子則不是這樣。它們不尋常的成分賦予它們零能量和零電荷的特性，這理論上允許它們存在于某種超導(dǎo)體的深處。超導(dǎo)體在導(dǎo)電時(shí)具有電阻為零的特性，那里不可能存在其他粒子，從而形成一個(gè)“間隙”，這樣馬約拉納子就不可能衰變?！俺瑢?dǎo)間隙保護(hù)了馬約拉納子?！边_(dá)斯·薩爾馬說(shuō)——至少在理論上是這樣。

自2010年以來(lái)，實(shí)驗(yàn)學(xué)家們一直在競(jìng)相使用超導(dǎo)體、納米線和磁場(chǎng)的復(fù)雜組合來(lái)制造真正的馬約拉納準(zhǔn)粒子。2018年，一組研究人員在《自然》雜志上報(bào)告說(shuō)，他們觀察到了馬約拉納子的關(guān)鍵特征。但外界專(zhuān)家對(duì)數(shù)據(jù)分析的某些方面提出了質(zhì)疑，2021年3月早些時(shí)候，這篇論文被撤回。

想象出一個(gè)可能的準(zhǔn)粒子是一回事，在接近絕對(duì)零度的實(shí)驗(yàn)中觀察到它又是另一回事，樣品的每個(gè)原子都要待在正確的位置，微小的雜質(zhì)就能毀掉一切。薩爾瑪并沒(méi)有被嚇倒?！拔蚁蚰惚ＷC，馬約拉納子將會(huì)被觀測(cè)到，因?yàn)樗睦碚撌菎湫碌?。這是一個(gè)工程問(wèn)題；這不是物理問(wèn)題。”

用極化激元構(gòu)造黑洞

準(zhǔn)粒子的世界正變得越來(lái)越龐大，一系列不同尋常的特征給物理學(xué)家提供了可以建造各種系統(tǒng)的工具箱。這些系統(tǒng)可以是很難或者根本不可能觸及的，比如說(shuō)黑洞。

巴黎索邦大學(xué)卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室的馬克西姆·雅克(Maxime Jacquet)說(shuō)：“有了這些類(lèi)似物，我們便想去探索我們用手無(wú)法觸及的物理現(xiàn)象?！?/p>

宇宙中某些地方引力變得非常強(qiáng)，以至于光也無(wú)法逃脫，這就是黑洞。你可以模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的黑洞：把浴缸里的塞子拔出來(lái)，看著水順著排水口打旋。太靠近排水管的水波不可避免地會(huì)被吸入漩渦。雅克和他的合作者用極化激元進(jìn)行了更好的模擬。

旋轉(zhuǎn)的極化激元流體類(lèi)比旋轉(zhuǎn)的黑洞。第一張圖顯示了不同位置的流體密度，中間較暗區(qū)域的邊緣就像黑洞的事件視界。第二張圖中，流體的相位圖顯示了它的渦流。

極化激元可以看成是物質(zhì)和光的混合體。研究人員用兩個(gè)反射鏡將光子困在一個(gè)籠子里，籠子里也有一個(gè)激子(exciton)，激子本身是一種準(zhǔn)粒子，由一對(duì)相互環(huán)繞的電子和空穴組成（不同于馬約拉納準(zhǔn)粒子，激子是在同一時(shí)間在同一地點(diǎn)的半個(gè)電子和半個(gè)空穴。）光子在反射鏡之間來(lái)回反彈大約一百萬(wàn)次后才能逃逸出去，當(dāng)它反彈時(shí)，光子與激子混合形成一個(gè)極化激元。許多光子和激子以這種方式被囚禁起來(lái)并結(jié)合在一起，這些極性子的行為就像液態(tài)光（liquid light）一樣，沒(méi)有摩擦，也不會(huì)散射。研究人員設(shè)計(jì)了這些極化激元的流動(dòng)來(lái)模擬光在黑洞中的運(yùn)動(dòng)。

液態(tài)光不穩(wěn)定，并且光子最終會(huì)逃逸出去。正是這個(gè)會(huì)漏的籠子讓雅克研究黑洞是如何隨時(shí)間演化的。諾貝爾獎(jiǎng)得主、數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）提出一個(gè)理論，他認(rèn)為旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)失去能量并逐漸減速；雅克計(jì)劃用極性子來(lái)驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。

“沒(méi)有人能用天體物理學(xué)告訴你這一點(diǎn)，但我們可以?！毖趴苏f(shuō)，他承認(rèn)，這是從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際黑洞的一個(gè)“飛躍”。

永不衰變的磁振子

如果準(zhǔn)粒子可以衰變，它最終一定會(huì)衰變。例如，一個(gè)磁振子——一個(gè)由在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)組成的準(zhǔn)粒子——可以衰變?yōu)榱硗鈨蓚€(gè)磁振子，只要這些產(chǎn)物的能量不大于原始磁振子的能量。

然而，準(zhǔn)粒子是相當(dāng)穩(wěn)定的，大概有兩個(gè)原因：它們是從溫度非常低的系統(tǒng)中產(chǎn)生的，因此它們一開(kāi)始幾乎沒(méi)有能量，而且它們之間的相互作用很弱，因此很少有擾動(dòng)觸發(fā)它們衰變。哈佛大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家魯本·弗雷森（Ruben Verresen）說(shuō)：“當(dāng)存在大量的推力和拉力時(shí)，人們天真地認(rèn)為衰變只會(huì)更快發(fā)生?！?/p>

但弗雷森的研究卻顛覆了這一觀點(diǎn)。在2019年發(fā)表的一篇論文中，他和他的同事描述了他們?nèi)绾螐睦碚撋夏M衰變的準(zhǔn)粒子，然后逐漸增強(qiáng)它們之間的相互作用強(qiáng)度，看看發(fā)生了什么。一開(kāi)始，準(zhǔn)粒子衰變得更快，正如預(yù)期的那樣。但是，讓弗雷森驚訝的是，當(dāng)相互作用的強(qiáng)度變得非常強(qiáng)時(shí)，準(zhǔn)粒子又反彈回來(lái)。他說(shuō)：“突然你又有了一個(gè)準(zhǔn)粒子，它具有無(wú)限長(zhǎng)的壽命?！?/p>

研究小組隨后進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，探索了超冷磁鐵的行為，他們看到不會(huì)發(fā)生衰變的磁振子。他們表明，他們對(duì)強(qiáng)相互作用準(zhǔn)粒子的新理論，解釋了2017年磁振子實(shí)驗(yàn)中一系列令人費(fèi)解的現(xiàn)象。這些永恒的磁振子不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)潔的理論，而是在自然界中實(shí)現(xiàn)的。

研究結(jié)果表明，準(zhǔn)粒子可能比研究人員曾經(jīng)認(rèn)為的要強(qiáng)大得多。粒子和準(zhǔn)粒子之間的界線變得模糊了?！拔铱床坏礁拘缘膮^(qū)別?！备ダ咨f(shuō)。

準(zhǔn)粒子是由許多粒子排列而成的。但我們所稱的基本粒子，如夸克、光子和電子，可能并不像我們想象的那么基本。一些物理學(xué)家懷疑這些表面上基本的粒子也是一種集體行為中演生（emergent）出來(lái)的——盡管從具體的情況來(lái)看，沒(méi)有人能這么說(shuō)。

“我們不知道電子、光子等實(shí)際產(chǎn)生的基本理論。我們相信有一些統(tǒng)一的框架?！奔又荽髮W(xué)圣巴巴拉分校研究物質(zhì)量子態(tài)的理論家利昂·巴倫茨(Leon Balents)說(shuō)?！拔覀冋J(rèn)為的基本粒子可能不是基本粒子；它們是其他理論的準(zhǔn)粒子。”

原文標(biāo)題：頂著“粒子”的名頭，我到底是誰(shuí)？

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