În liniște pandemic după -amiaza în 2021, Zhiyuan Wangatunci student absolvent la Universitatea Rice, își atenua plictisirea lucrând la o problemă matematică ciudată. După ce a găsit o soluție exotică, a început să se întrebe dacă Matematică ar putea fi interpretat fizic. În cele din urmă, el și-a dat seama că părea să descrie un nou tip de particule: unul care nu este nici o particulă de materie, nici o particulă care transportă forța. Părea să fie altceva cu totul.
Wang era dornic să dezvolte descoperirea accidentală într -o teorie deplină a acestui al treilea tip de particule. A adus ideea la Kaden Hazzardconsilierul său academic.
“Am spus, nu sunt sigur că cred că acest lucru poate fi adevărat”, și -a amintit Hazzard, “dar dacă credeți că este, ar trebui să vă puneți tot timpul pe asta și să aruncați orice altceva la care lucrați.”
În ianuarie, Wang, acum cercetător postdoctoral la Max Planck Institute of Quantum Optics din Germania și Hazzard publicat Rezultatul lor rafinat în jurnal Natură. Ei spun că o a treia clasă de particule, numită paraparticule, poate exista într -adevăr și că aceste particule ar putea produce materiale noi ciudate.
Când a apărut hârtia, Markus Müllerun fizician la Institutul pentru optică cuantică și informații cuantice din Viena, se confrunta deja cu noțiunea de paraparticule dintr -un motiv diferit. Conform Mecanica cuanticăun obiect sau observator poate fi în mai multe locații simultan. Müller se gândea la cum poți, pe hârtie, să comutați între Perspectivele observatorilor În aceste „ramuri” coexistente ale realității. Și -a dat seama că acest lucru a venit cu noi constrângeri asupra posibilității paraparticulelor, iar echipa sa a descris rezultatele lor într -un Preprint În februarie, acum este examinat pentru publicare într -un jurnal.
Momentul strâns al celor două lucrări a fost o coincidență. Dar luate împreună, lucrarea redeschide cazul unui mister de fizică despre care se credea că a fost rezolvată cu zeci de ani în urmă. O întrebare de bază este reevaluată: ce fel de particule permite lumea noastră?
Toate cunoscute particule elementare Se încadrează într -una din cele două categorii, iar cele două se comportă aproape ca opuse. Există particulele care constituie contează, numite fermioni și particulele care transmit forțele fundamentale, numite bosoni.
Caracteristica definitorie a fermionilor este că, dacă schimbați pozițiile a două fermioni, starea lor cuantică câștigă un semn minus. Prezența acelui semn minus are ramificări enorme. Înseamnă că nu există două fermioni în același loc în același timp. Când sunt ambalate împreună, Fermions nu pot fi comprimate pe lângă un anumit punct. Această caracteristică împiedică să se prăbușească materia – este motivul pentru care electronii din fiecare atom există în „scoici”. Fără acest semn minus, nu am putea exista.
Bosonii nu au o astfel de restricție. Grupuri de bosoni vor face din fericire exact același lucru. Orice număr de particule de lumină, de exemplu, poate fi în același loc. Aceasta este ceea ce face posibilă construirea laserelor, care emit multe particule de lumină identice. Această abilitate se reduce la faptul că atunci când doi bosoni schimbă locurile, starea lor cuantică rămâne aceeași.
Nu este evident că Fermions și Bosons ar trebui să fie singurele două opțiuni.
Aceasta se datorează în parte unei caracteristici fundamentale a teoriei cuantice: pentru a calcula probabilitatea de a măsura o particulă în orice stare anume, trebuie să luați descrierea matematică a statului respectiv și să o multiplicați de la sine. Această procedură poate șterge distincțiile. Un semn minus, de exemplu, va dispărea. Dacă i se oferă numărul 4, a Una! Concurentul nu ar avea cum să știe dacă întrebarea a fost „Ce este 2 pătrați?” sau „Ce este negativ 2 pătrați?” – Ambele posibilități sunt valabile din punct de vedere matematic.
Din cauza acestei caracteristici, Fermions, în ciuda câștigării unui semn minus atunci când sunt schimbate, toate arată la fel atunci când sunt măsurate – semnul minus dispare atunci când stările cuantice sunt pătrate. Această nedistinguibilitate este o proprietate crucială a particulelor elementare; Niciun experiment nu poate spune două de un fel.
Dar un semn minus poate să nu fie singurul lucru care dispare. În teorie, particulele cuantice pot avea, de asemenea, stări interne ascunse, structuri matematice care nu sunt observate în măsurători directe, care dispar și atunci când pătrate. O a treia categorie mai generală de particule, cunoscută sub numele de paraparticulă, ar putea apărea din această stare internă care se schimbă într -o multitudine de moduri, în timp ce particulele schimbă locurile.
În timp ce teoria cuantică pare să o permită, fizicienii au avut dificultăți în a găsi o descriere matematică a unei paraparticule care funcționează. În anii ’50, fizicianul Herbert Green a făcut câteva încercări, dar o inspecție suplimentară a relevat faptul că aceste modele de paraparticule au fost într -adevăr doar combinații matematice de bosoni și fermioni tipici.
În anii ’70, misterul de ce nimeni nu a putut găsi un model adecvat de paraparticule părea să fie rezolvat. O colecție de teoreme numite teoria DHR, după fizicienii matematici Sergio Doplicher, Rudolf Haag și John Roberts, au dovedit că, dacă anumite presupuneri sunt adevărate, doar bosonii și fermionii sunt posibile fizic. O presupunere este „localitate”, regula conform căreia obiectele nu pot fi afectate decât de lucrurile din vecinătatea lor. („Dacă îmi trag masa, mai bine nu afectează luna instantaneu”, așa cum a spus Hazzard.) Dovada DHR a presupus, de asemenea, că spațiul este (cel puțin) tridimensional.
Rezultatele au descurajat noi proiecte în paraparticule de zeci de ani, cu o singură excepție. La începutul anilor 1980, fizicianul Frank Wilczek a venit cu o teorie a particulelor numit anyons Acest lucru nu poate fi descris ca bosoni sau fermioni. Pentru a ocoli teoremele DHR, Anyons vin cu o captură mare: ele nu pot exista decât în două dimensiuni.
Fizicieni acum studiază pe scară largă Anyons pentru potențialul lor în calculul cuantic. Chiar limitați la două dimensiuni, s -ar putea manifesta pe o suprafață plană a unui material sau într -o serie 2D de qubits într -un computer cuantic.
Dar paraparticulele în trei dimensiuni care ar putea forma un solid încă păreau imposibile. Adică până acum.
Schimbarea obiectivelor turistice
În timp ce își dezvoltau modelul, Wang și Hazzard au observat că presupunerile din spatele teoriei DHR au depășit preocupările tipice ale localității. “Cred că oamenii au interpretat excesiv ce limitări sau constrângeri au fost de fapt impuse de aceste teoreme”, a spus Hazzard. Paraparticulele, și -au dat seama, pot fi teoretic posibile până la urmă.
În modelul lor, pe lângă proprietățile obișnuite ale unei particule precum sarcina și rotirea, grupurile de paraparticule au proprietăți suplimentare ascunse. Ca și în cazul semnului minus care este pătrat în timpul unei măsuri, nu puteți măsura în mod direct aceste proprietăți ascunse, dar schimbă modul în care se comportă particulele.
Când schimbați două paraparticule, aceste proprietăți ascunse se schimbă în tandem. Ca analogie, imaginați -vă că aceste proprietăți sunt culori. Începeți cu două paraparticule, unul care este intern roșu și altul care este albastru intern. Atunci când schimbă locurile, în loc să păstreze aceste culori, ambele se schimbă în moduri corespunzătoare, așa cum este prescris de matematica modelului particular. Poate că schimbul le lasă verde și galben. Acest lucru se transformă rapid într -un joc complex, în care paraparticulele se afectează reciproc în moduri nevăzute pe măsură ce se deplasează.
Între timp, Müller a fost, de asemenea, ocupat să regândească teoremele DHR. “Nu este întotdeauna super transparent ceea ce înseamnă, pentru că este într -un cadru matematic foarte complicat”, a spus el.
Echipa sa a adoptat o nouă abordare la întrebarea paraparticulelor. Cercetătorii au considerat faptul că sistemele cuantice pot exista în mai multe stări posibile simultan – ceea ce se numește o superpoziție. Ei și -au imaginat schimbarea între perspectivele observatorilor care există în aceste state superpuse, fiecare descriind ramura realității lor ușor diferit. Dacă două particule sunt cu adevărat nedistinguibile, ei s -au gândit, atunci nu va conta dacă particulele sunt schimbate într -o ramură a superpoziției și nu în cealaltă.
„Poate dacă particulele sunt aproape, le schimb, dar dacă sunt departe, nu fac nimic”, a spus Müller. „Și dacă sunt într -o superpoziție a ambelor, atunci fac schimbarea într -o ramură și nimic în cealaltă ramură”. Dacă observatorii de pe ramuri etichetează cele două particule în același mod nu ar trebui să facă nicio diferență.
Această definiție mai strictă a nedistinguibilității în contextul superpozițiilor impune noi restricții asupra tipurilor de particule care pot exista. Când aceste presupuneri rețin, cercetătorii au descoperit că paraparticulele sunt imposibile. Pentru ca o particulă să fie cu adevărat nedistinguibilă prin măsurare, deoarece fizicienii se așteaptă ca particulele elementare să fie, trebuie să fie fie un boson sau un fermion.
Deși Wang și Hazzard și -au publicat lucrarea mai întâi, este ca și cum ar fi văzut constrângerile lui Müller venind. Paraparticulele lor sunt posibile, deoarece modelul lor respinge presupunerea de pornire a lui Müller: particulele nu sunt indistinguibile în sensul complet necesar în contextul superpozițiilor cuantice. Aceasta vine cu o consecință. În timp ce schimbarea a două paraparticule nu are niciun efect asupra măsurătorilor unei persoane, doi observatori, prin împărtășirea datelor lor între ele, pot determina dacă paraparticulele au fost schimbate. Acest lucru se datorează faptului că schimbarea paraparticulelor poate schimba modul în care se raportează măsurarea celor doi oameni. În acest sens, ei ar putea spune cele două paraparticule.
Aceasta înseamnă că există un potențial pentru noile stări de materie. În cazul în care bosonii pot împacheta un număr nesfârșit de particule în aceeași stare, iar Fermions nu pot împărtăși deloc o stare, paraparticulele sfârșesc undeva la mijloc. Ei sunt capabili să împacheteze doar câteva particule în aceeași stare, înainte de a se aglomera și a -i forța pe alții în noi state. Exact câți pot fi înghesuiți împreună depinde de detaliile paraparticulelor – cadrul teoretic permite opțiuni interminabile.
“Mi se pare că hârtia lor este într -adevăr fascinantă și nu există absolut nicio contradicție cu ceea ce facem”, a spus Müller.
Drumul către realitate
Dacă există paraparticule, acestea vor fi cel mai probabil particule emergente, numite quasiparticule, care apar ca vibrații energetice în anumite materiale cuantice.
„S -ar putea să obținem noi modele de faze exotice, care au fost dificil de înțeles înainte, pe care acum le puteți rezolva cu ușurință folosind paraparticule”, a spus a spus Meng Chengun fizician la Universitatea Yale care nu a fost implicat în cercetare.
Bryce Gadwayun fizician experimental la Universitatea de Stat din Pennsylvania, care uneori colaborează cu Hazzard, este optimist că paraparticulele vor fi realizate în laborator în următorii câțiva ani. Aceste experimente ar folosi atomii Rydberg, care sunt atomi energizați cu electroni care se plimbă foarte departe de nucleele lor. Această separare a sarcinii pozitive și negative face ca atomii Rydberg să fie deosebit de sensibili la câmpurile electrice. Puteți construi computere cuantice din interacțiunea atomilor Rydberg. De asemenea, sunt candidații perfecți pentru crearea de paraparticule.
“Pentru un anumit tip de simulator cuantic Rydberg, acesta este exact ceea ce ar face în mod natural”, a spus Gadway despre crearea de paraparticule. „Doar îi pregătești și îi urmărești să evolueze”.
Dar, deocamdată, cel de -al treilea regat al particulelor rămâne în întregime teoretic.
„Paraparticulele ar putea deveni importante”, a spus Wilczek, Premiul Nobel–Chinging fizician și inventator al anyons. „Dar în prezent sunt practic o curiozitate teoretică”.
Povestea originală reimprimată cu permisiunea de la Revista Quantao publicație independentă editorială susținută de Simonsfoundation.