參考消息網8月13日報道 據美國趣味科學網站7月13日報道，在2021年疫情期間某個安靜的午后，當時還是美國賴斯大學研究生的王志遠(音)正在通過求解一個古怪的數學題排遣自己的無聊。在找到一個奇特的解法后，他開始暢想這道數學題是否可以用物理學加以詮釋。最后，他意識到這道題似乎是在描述某種新型粒子：它們既非物質粒子、也非力傳遞粒子。它們似乎是某種完全不同的粒子。王志遠迫不及待地要把這個意外發現發展為關于這種第三類粒子的完整理論。他把這個想法告訴了自己的導師卡登·哈澤德。哈澤德回憶說：“我當時對他說，我不敢肯定這是正確的，但如果你真的認為事實就是如此，那么你應該把全部時間用于這方面的研究，并且停掉你正在進行的其他所有研究?！?/p>

  目前已是德國馬克斯·普朗克量子光學研究所博士后研究員的王志遠與哈澤德今年1月在英國《自然》雜志上發表了他們經過優化的研究結果。他們聲稱，被稱為仲粒子的第三類粒子可能確實存在，而且這些粒子可以生成奇異的新物質。

  當該論文發表時，維也納量子光學與量子信息研究所的物理學家馬庫斯·米勒也已因為別的原因正在思考仲粒子的概念。根據量子力學，目標和觀察者在同一時間可以處在多個位置。米勒當時思考的是如何在理論上實現處于這些共存現實“分支”中的觀察者視角之間的切換。他意識到這會對仲粒子存在的可能性增加新的限制，他的團隊今年2月在一篇預印本論文中介紹了研究結果，該論文目前正在接受某學術期刊的審稿以便公開發表。

  兩篇論文寫作時間的相近純屬巧合。但總體而言，這項研究正在重新打開一個曾被認為在數十年前已得到解決的物理學謎題的卷宗。一個基本問題將被重新評估：我們的世界可以有哪幾種類型的粒子？

  隱秘世界

  所有已知的基本粒子分成兩類，它們的行為截然相反：構成物質的費米子和傳遞基本作用力的玻色子。

  費米子的決定性特征表現為：如果你調換兩個費米子的位置，它們的量子態將增加一個負號。這個不起眼的負號具有重大意義——意味在同一時間、同一位置不可能存在兩個費米子。當擠壓在一起時，費米子的壓縮程度存在某個極限。這一特性阻止物質發生自我坍縮——這也是每個原子中的電子存在“殼層”結構的原因。如果沒有這個負號，我們人類就不可能存在。

  玻色子則沒有這樣的限制。成群的玻色子可以相安無事地做完全相同的事情。例如，任意數目的光子可以處在同一位置，這一特性可以制造出激光器。激光器在同一時間發射出大量完全相同的光粒子。這種能力歸結為這樣的事實：兩個玻色子調換位置時，它們的量子態將保持不變。

  費米子和玻色子未必是僅有的兩個選項。這在一定程度上是因為量子理論的基本特性：要想計算表示某個粒子處于任何特定狀態的概率，你得把該量子態的數學描述進行自乘。這個步驟將抹掉差異。例如負號將消失。如果提問者給出的數字是4，那么美國《危險邊緣》電視智力搶答節目的選手將無法知道問題要問的是“2的平方”還是“-2的平方”？這兩種可能性在數學上都成立。

  正是因為這一特性，費米子盡管在對調位置時獲得了負號，但它們在被測量時看起來完全相同——因為當量子態進行平方運算時，這個負號將會消失。這種不可區分性是基本粒子的關鍵屬性：沒有任何實驗可以區分同類型的兩個粒子。

  1925年，25歲的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利提出了“不相容原理”：兩個無法區分的費米子決不可能具有相同的量子態。

  但是負號也許并非唯一消失的東西。在理論上，量子粒子還可能隱藏內部狀態，即在直接測量中無法觀察到的數學結構，它們也會在量子態平方運算時消失。當這些粒子調換位置時，從這種以無數種方式變化的內部狀態中可能出現第三類更為普遍的粒子，即所謂的仲粒子。

  盡管量子理論似乎認可這一假設，但物理學家一直難以找到關于仲粒子的有效數學描述。20世紀50年代，物理學家赫伯特·格林曾進行過一些嘗試，但進一步的檢視發現這些仲粒子模型實際上只是典型的玻色子和費米子的數學組合。

  20世紀70年代，正確的仲粒子模型缺失之謎似乎得到了解決。一組被稱為DHR理論——以數學物理學家塞爾吉奧·多普利凱爾、魯道夫·哈格和約翰·羅伯茨三人姓氏的首字母命名的定理證明，如果某些假定成立，那么只有玻色子和費米子存在物理上的可能性。其中一個假定是“局域性”，即認為目標只能受其鄰近事物的影響。(用哈澤德的話解釋：“如果我挪動桌子，我多半不會立刻影響月球?！?DHR論證還假定宇宙(至少)是三維的。

  這些結論在幾十年里阻止了對仲粒子的研究，只有一個例外。在20世紀80年代初，物理學家弗蘭克·維爾切克提出了“任意子”理論，即一種既無法描述為玻色子也無法描述為費米子的粒子。為了繞過DHR定理，任意子存在一個重大局限：它們只能存在于二維空間。

  今天物理學家對任意子進行廣泛研究以探索它們在量子計算中的潛力。即便局限于二維空間，但它們仍可呈現在某種材料的平坦表面上，或者量子計算機的二維量子比特陣列中。

  但是，可以形成固體的三維仲粒子看來仍然不可能存在——到目前為止是這樣的。

  調整目標

  在構建他們的模型時，王志遠和哈澤德注意到DHR理論背后的假設超出了常規的局域性擔憂。哈澤德說：“我認為人們過度解讀了這些定理真正施加的限制或約束?！彼麄円庾R到，歸根到底，仲粒子在理論上是有可能的。

  在他們的模型中，除電荷、自旋等粒子的常見屬性外，仲粒子群還共同擁有另外的隱藏屬性。就像在測量時消失的負號一樣，你無法直接測量這些隱藏屬性，但它們會改變這些粒子的行為方式。

  當你對調兩個仲粒子時，這些隱藏屬性會同步改變。打個比方，把這些屬性想象為顏色。從一個內部是紅色、另一個內部是藍色的兩個仲粒子開始。當它們調換位置時，它們并不保留原有的顏色，而是都以特定模型的數學規則所規定的方式相應地改變顏色?；蛟S這種對調讓它們分別變成了綠色和黃色。這很快變成一種復雜游戲，仲粒子在四處移動的過程中以看不見的方式互相影響。

  與此同時，米勒也在忙于重新思考DHR定理。他說：“這些定理的含義并不總是十分透明，因為這是一個極其復雜的數學構架?！?/p>

  他的團隊采用一種新方法研究仲粒子。研究者考慮了量子系統可以同時處于多種可能狀態，即所謂的疊加態。他們想象對處于這些疊加態中的觀察者視角進行切換——每個觀察者對自身所處的實際分支的描述都略有不同。他們推斷，如果兩個粒子真的不可區分，那么無論調換的是處于疊加態哪一個分支的粒子，其結果都不會產生變化。

  米勒說：“如果粒子距離很近，或許我會對它們進行調換，但如果它們相距遙遠，我會什么都不做。如果它們處于包含二者的疊加態，那么我會在其中一個分支進行調換，而在另外的分支按兵不動?！辈煌种У挠^察者是否以相同的方式標記這兩個粒子將不會產生任何影響。

  這種關于疊加態語境下的不可區分性的更嚴格定義將對可能存在的粒子類型施加新的限制。研究人員發現，如果這些假設成立，仲粒子將不可能存在。如果某種粒子真的能夠像物理學家預期中的基本粒子那樣無法通過測量加以區分，那么它們只能是玻色子或費米子。

  盡管王志遠和哈澤德先發表了論文，但他們似乎預見到了米勒即將提出的約束條件。他們能夠證明仲粒子可能存在，是因為他們的模型否定了米勒的初始假設：就量子疊加態語境中所要求的完整意義而言，這些粒子并不具備真正的不可區分性。這將帶來某種后果：盡管對調兩個仲粒子不會對一個觀察者的測量產生影響，但兩個觀察者通過相互共享各自的數據可以判斷仲粒子是否被調換了。這是因為調換仲粒子可能影響兩人測量結果的彼此相關性。從這個意義上說，他們可以區分這兩個仲粒子。

  這意味著有可能存在新的物質狀態。在玻色子可以把無窮數目的粒子擠壓到相同狀態，而費米子則完全無法共有一種狀態的情況下，仲粒子則介于二者之間——它們能夠把少數粒子擠壓進相同狀態，直到發生擁擠并迫使其他粒子進入新的狀態。究竟多少個粒子可以擠壓在一起則取決于仲粒子的詳細參數，即允許存在無限可能性的理論框架。

  米勒說：“我認為他們的論文非常出色，里面絕對沒有任何內容與我們的研究相矛盾?！?/p>

  現實之路

  如果仲粒子存在，那么它們極有可能是被稱為“準粒子”的演生粒子。它們表現為某些量子材料中的高能振動。

  未參與此項研究的耶魯大學物理學家程蒙（音）說：“我們也許能得到關于奇異物態的新模型，這些模型過去難以理解，但現在借助仲粒子可以輕松地得到解決?！?/p>

  時常與哈澤德合作的美國賓夕法尼亞州立大學實驗物理學家布賴斯·加德韋樂觀地認為，未來幾年將在實驗室中制造出仲粒子。這些實驗將用到“里德伯原子”，即電子與原子核極度遠離的高能態原子。這種正負電荷的分離使“里德伯原子”對電場尤其敏感。相互作用的“里德伯原子”可以用來構建量子計算機，它們還是制取仲粒子的理想材料。

  關于仲粒子的制取實驗，加德韋說：“對于某種類型的里德伯量子模擬器而言，這差不多就是它們天生該做的事情。你只需讓設備準備就緒，然后觀察它們的演化就可以了?！?/p>

  但就目前而言，第三類粒子仍完全停留在理論層面。

  諾貝爾獎得主、提出任意子理論的物理學家維爾切克說：“仲粒子也許會變得十分重要。但目前它們基本上只是一種理論上的獵奇！”（編譯/曹衛國）

在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心地下工作區拍攝的超環面探測器。（新華社）