任意子的证据，粒子的第三王国

宇宙中的每一个粒子--从宇宙射线到夸克--要么是费米子，要么是玻色子。这些类别将自然界的构件划分为两个截然不同的王国。现在，研究人员发现了第一批第三粒子王国的例子。

众所周知，任意子的行为既不像费米子，也不像玻色子；相反，它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，物理学家们发现了第一个实验证据，证明这些粒子既不适合这两个王国，也不适合这两个王国。“我们有玻色子和费米子，现在我们有了这个第三王国，”麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)的诺贝尔奖获得者、物理学家弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)说。“这绝对是一个里程碑。”

要理解量子王国，请想一想环形图。想象一下两个难以区分的粒子，比如电子。取一个，然后绕着另一个循环，这样它就会回到开始的地方。似乎什么都没有改变。事实上，在量子力学的数学语言中，描述初态和终态的两个波函数必须相等或相差1倍−。(在量子力学中，你通过平方这个波函数来计算你观察到的概率，所以−1的这个因子被冲刷掉了。)。

如果波函数相同，你的量子粒子就是玻色子。如果它们的偏差是−的1倍，你就有费米子。尽管这一推导看起来像是纯粹的数学练习，但它有着深远的物理后果。

费米子是粒子世界的反社会成员。它们永远不会占据相同的量子态。正因为如此，作为费米子的电子被迫进入原子周围不同的原子壳。从这个简单的现象中产生了原子中的大部分空间，元素周期表的惊人变化，以及所有的化学。

另一方面，玻色子是群居粒子，乐于聚集在一起，共享相同的量子态。因此，作为玻色子的光子可以相互穿透，使光线能够畅通无阻地传播，而不是四处散射。

但是，当你让一个量子粒子绕着另一个量子粒子旋转时，如果你没有回到相同的量子态，会发生什么呢？为了理解这种可能性，我们需要简单地谈一谈拓扑学，即形状的数学研究。如果两个形状可以在没有任何切割或粘合的情况下转换成另一个形状，则两个形状在拓扑上是等价的。俗话说，甜甜圈和咖啡杯在拓扑上是等价的，因为一个可以轻轻地连续地塑造成另一个。

考虑一下我们在一个粒子围绕另一个粒子旋转时所做的循环。在三维中，您可以将循环一直缩小到一个点。从拓扑学上讲，粒子好像一点也没有移动。

然而，在二维空间中，环路是不能收缩的。它会粘在另一个粒子上。在此过程中，您无法在不切断循环的情况下将其缩小。由于这一限制(仅在二维中可见)，使一个粒子围绕另一个粒子循环并不等同于将该粒子留在同一位置。

我们需要第三种粒子可能性：任意子。因为它们的波函数并不局限于定义费米子和玻色子的两种解，所以这些粒子可以自由地既不是费米子也不是玻色子，而是介于两者之间的任何一种。当Wilczek第一次创造术语Anyon时，这是一个开玩笑的暗示，任何事情都可以进行。

巴黎索邦大学(Sorbonne University)物理学家格温德尔·费夫(Gwendal Fève)领导了最近的实验，他说：“拓扑论证是这些任意子可能存在的第一个迹象。”“剩下要找的是物理系统。”

当电子被限制在二维运动，几乎冷却到绝对零度，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年代初，物理学家首先使用这些条件观察到了“分数量子霍尔效应”，即电子聚集在一起，产生所谓的准粒子，这种粒子的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，那就想想质子吧，它本身就是由三个夸克组成的。)。

1984年，由Wilczek、Daniel Arovas和John Robert Schrieffer撰写的一篇开创性的两页论文表明，这些准粒子必须是任意子。但是科学家们从未在这些准粒子中观察到任何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，既不聚集在一起，也不完全相互排斥。

这就是这项新研究所做的。2016年，三位物理学家描述了一种类似于二维微小粒子对撞机的实验装置。Fève和他的同事们建造了类似的东西，并用它将任意子打碎在一起。通过测量对撞机中电流的波动，他们能够表明任意子的行为与理论预测完全一致。

布朗大学(Brown University)的物理学家德米特里·费尔德曼(Dmitri Feldman)没有参与最近的研究，他说，“所有的东西都非常符合这个理论，没有任何问题。”“根据我的经验，这在这个领域是非常不寻常的。”

“很长一段时间以来，已经有很多证据，”Wilczek说。“但如果你问：有没有一种特定的现象，你可以指着说是任意子造成的，而你不能用其他任何方式来解释它？”我认为这显然是在一个不同的层面上。“