「降維打擊」真的發生過?科學家發現不可思議的「二維粒子」

空間是三維的,時空是四維的。這已經成為很多人的常識。但是最近科學家在微觀世界里發現了一種僅存在于兩個維度上的奇異粒子。

科幻影視劇中展示的「二維文明」。

這些二維粒子是所謂「準粒子(quasiparticles)」的一種,名為「任意子(Anyons)」。它們只在特定條件下,比如接近絕對零度的環境,或強磁場中出現。

「任意子」的理論預言最早是上世紀80年代,由麻省理工學院著名理論物理學家Frank Wilczek提出的。這一發現不僅證實了他的預言,還為量子計算機的發展提供了一個新方向。

2020年四月,巴黎École高等師范學校的科學家發現,粒子對撞機中的電子云有奇怪的表現,而這種表現只有當它們周圍存在任意子的時候才會出現。2020年七月,美國普度大學的科學家利用蝕刻芯片上的實驗裝置剔除了可能遮蔽任意子行為的交互因素。

任意子不是普通的基本粒子,我們無法把它和產生它的體系隔離開。它們是準粒子的一種,也就是說它們有可供測量的參數,比如位置和質量,但是這種測量只有在把它們當作常規粒子整體行為的結果時才可進行。

宇宙中已知的基本粒子有兩大類。一類是費米子,包括電子、質子和中子,以及組成質子和中子的夸克。費米子有一個特點,即兩個以上的費米子無法同時處于同一量子態。如果沒有這一特性,宇宙中的所有物質都會坍縮為一個點。費米子的這一特性是世間萬物得以存在的根本。

第二類是玻色子,包括光子和膠子。光子是光和輻射的載體,而膠子是把夸克粘在一起的「膠水」。兩個以上的玻色子可以在同一時間處于同一量子態。它們總是趨向于聚在一起。而這也是激光之所以可以被制造出來的原因。激光其實就是一組處于同一量子態的光子。

但任意子不屬于以上兩類。任意子具有某種「記憶」特性。

費米子在圍繞費米子運行時,其量子態是不變的;玻色子也是一樣。但任意子圍繞任意子運行時,其整體量子態會發生偏移。任意子要經歷3次、5次,乃至更多次的演化后,才會回到它們的原始態。這種波中的細微偏移就像某種對過程的記憶。而這對量子計算很有用。量子計算機的運行依賴量子態,但量子態對錯誤十分敏感。任意子有潛力成為量子計算數據存儲的一種可靠方式。

而對于物理學來說,二維的任意子或許可以為我們打開一扇通往光怪陸離奇異物質世界的門。


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