世界不思議

物理學家在直接實驗中驗證了任意子的存在性


諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)在上交李政道研究所(TDLI)做了關於任意子(anyon)的演講。再往前,巴黎大學、法國科學研究中心和雷恩高等師範學校的研究人員的關於任意子實驗證據的論文在4月份被《科學》當做封面文章。

對任意子的確認是當代粒子物理學中里程碑式的發現。

不過要說清什麼是任意子,先要簡單介紹一下費米子和玻色子。

在已知的物理世界中,萬事萬物都由兩大類基本粒子構成——費米子和玻色子。

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基本粒子有一個叫自旋的物理量(至於什麼是自旋,它和通常字面上的意思有何區別就不細說了,反正知道它是一個物理量,類似於質量,電荷數),而費米子的自旋都是半整數,如0.5、1.5、2.5……,相對的,玻色子的自旋是整數。

功能上,可以理解成物質主要由費米子構成,如電子就是費米子。費米子有一個特性,就是不同的費米子無法占據同一個量子態;所以原子核外的電子擁有不同能級的軌道——這也是著名的泡利不相容原理的本質。

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玻色子則是物質之間相互作用的媒介的。著名的光子就是玻色子——電磁力通過交換光子實現。目前除了引力之外,其它幾種基本力,都有自己的玻色子媒介。同時顯而易見的(想想光束),玻色子不受泡利不相容原理的制約,可以聚集在一起。

任意子是既非費米子,又非玻色子的第三種粒子!任意子的得名,來自於它的自旋可以是任意值。這種粒子突破了既有的理論框架,所以說,用實驗證實任意子的存在,是當代里程碑式的成就。

最開始,物理學家藉助拓撲學意識到,在二維繫統中存在第三種粒子,但並沒有直接的實驗證據。

80年代,超導方面的專家在研究二維材料時,發現了所謂的「分數量子霍爾效應」。當時已經是諾獎得主的維爾切克與另兩位作者發表了一篇論文,指出分數量子霍爾效應中顯示出的準粒子系統就是任意子。

可惜的是,雖然他們的理論非常合理,但依然缺少真確的實驗證據。直到2016年,萊比錫大學、哈佛大學和蘇黎世聯邦理工學院的物理學家在理論上設計出了一種二維的微型粒子對撞機——需要顯微鏡才能觀察到內部零件——可以用來驗證任意子的存在性。

發表在《科學》的論文,三位物理學家描述了自己如何實現了上面的設計,同時觀察到與理論預言相一致的任意子特徵!

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