新粒子“任意子”的发现呈现出一个新的粒子世界,物理学的里程碑 2024-05-08 14:04:05 任意子的存在是从量子拓扑中推断出来的。 宇宙中的每一个粒子(从宇宙射线到夸克)不是费米子就是玻色子。这些类别将自然的构建块划分为两个截然不同的粒子王国。现在,研究人员发现了第三个粒子王国的第一个例子。任意子,正如我们所知,即不像费米子也不像玻色子。相反,他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,物理学家发现了第一个实验证据,证明这些粒子不属于任何一个王国。”我们有玻色子和费米子,现在我们有了第三个王国,”诺贝尔奖得主、麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克说。“这绝对是一个里程碑。” 什么是任意子? 要理解量子王国,可以想象一幅循环图。想象两个无法区分的粒子,比如电子。取其中一个,然后环绕另一个,这样它就会回到它开始的地方。一切似乎都没有改变。事实上,在量子力学的数学语言中,描述初态和末态的两个波函数必须要么等于,要么相差-1。(在量子力学中,你可以通过平方这个波函数来计算你所观察到的概率,所以- 1的系数就被消去了。)如果波函数是相同的,那么量子粒子就是玻色子。如果它们差了一个系数-1,那么就是费米子。虽然推导看起来像是一个纯粹的数学问题,但它具有深刻的物理意义。费米子是粒子世界的“反社会成员”。它们从不占据相同的量子态。正因为如此电子(也就是费米子)被强迫进入一个原子周围不同的壳层中。从这个简单的现象中产生了原子的大部分空间,元素周期表的惊人多样性,以及所有的化学。另一方面,玻色子是群居的粒子,它们乐于聚在一起,共享相同的量子态。因此,光子(即玻色子)可以相互穿透,使光线不受阻碍地传播,而不是四处散射。但是,如果当你将一个量子粒子环绕在另一个量子粒子上时,又没有回到相同的量子状态,会发生什么呢?为了理解这种可能性,我们需要稍微离题到拓扑学。如果一种形状可以不经过任何切割或粘合而转变成另一种形状,那么两种形状在拓扑上是等价的。俗话说,甜甜圈和咖啡杯在拓扑结构上是等价的,因为它们可以被轻轻不断地塑造成另一个。让一个粒子绕着另一个粒子旋转,会产生一个循环。在三维空间中,你可以把这个循环一直缩小到一个点。从拓扑学上讲,这个(粒子)好像根本没有移动过。然而,在二维空间中,循环不会缩小。它被另一个粒子卡住了。由于这个限制(只有在二维中才会发现),让一个粒子绕着另一个粒子旋转并不等于把它留在同一个地方。我们需要第三种粒子的可能性:任意粒子。由于它们的波函数不局限于定义费米子和玻色子的两个解,这些粒子可以不是这两个解中的任何一个,而是介于两者之间的任何一个。当威尔切克第一次创造任意子这个词时,它是一种半开玩笑的暗示,意思是任何事情都可以发生。 实验 巴黎索邦大学的物理学家格温达尔·费弗领导了最近的这项实验,他说:“拓扑论证是第一个迹象,表明这些任意子可能存在。”“剩下的就是物理系统了。”当电子被限制在二维空间运动,冷却到接近绝对零度,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年代早期,物理学家首先利用这些条件来观察“分数量子霍尔效应”,在这个效应中,电子聚集在一起产生了所谓的准粒子,其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,想想质子,它本身就是由三个夸克组成的。)1984年,威尔切克、丹尼尔·阿罗瓦斯和约翰·罗伯特·施里弗在一篇两页纸的论文中指出,这些准粒子必须是任意粒子。但科学家们从未在这些准粒子中观察到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,既不聚在一起,也不完全相互排斥。这就是这项新研究的目的。2016年,三位物理学家描述了一个类似于二维粒子对撞机的实验装置,用它来把任意子撞在一起。通过测量对撞机中电流的波动,他们能够证明任意子的行为完全符合理论预测。布朗大学物理学家德米特里·费尔德曼没有参与最近的研究,他说,“一切都与这个理论非常契合,没有任何疑问。”“根据我的经验,这在这个领域是很不寻常的。”“在很长一段时间里,已经有了很多证据,”威尔切克说。但如果你问:是否存在一种特定的现象,你可以指出并说任意子导致了这种现象,而你无法用其他任何方式解释它。我认为这在一个不同的层面上是非常明显的。” 赞 (0) 相关推荐 新发现:“任意子”的里程碑证据——粒子第三王国 在最近发表在<科学>杂志上的一篇论文中,物理学家发现了第一个实验证据,表明有些粒子既不属于费米子.也不属于玻色子,而属于一个新的.粒子第三王国.麻省理工学院获得诺贝尔奖的物理学家弗兰克·威 ... 玻色子和费米子 玻色子和费米子是什么?二者的区别是什么? 0 BY 质心姐姐 ON 2019年7月10日科普 我们所处的宇宙非常精彩,具有无限的神秘感.或许令人费解的是,宇宙学家想要探索大宇宙的奥秘,那么必须从研究 ... 物理学家证明存在二维粒子,称为“任意子” 今年,物理学家为我们提供了仅在二维中出现的第三类准粒子王国的早期观点. 经过几十年的自然界最小探索,物理学家终于找到了存在任何论点的证据.这些类粒子的物体最初是由理论家在1980年代初期预测的,仅在二 ... 对文本型的数字求和,我发现了一个新函数 你好,我是刘卓.欢迎来到我的公号,excel函数解析.在工作或学习中,我们经常会对一些文本型的数字求和,这些数据可能是从别的系统中导出的,也可能是专门设置成文本格式的.直接用sum函数对这些数据求和, ... 又发现了一个新人种!东南亚发现古人类化石,曾和现代人类杂交 据报道,前段时间,在位于东南亚的一个古人类洞穴中,科学家们确认了一个全新的史前人类物种--杰尼索夫人,通过对比,研究者发现,多年前在西伯利亚地区和青藏高原地区中发现的神秘古人类化石,通过对比分析后,也 ... 中国又发现了一个新人种:龙人。这个龙人是... 中国又发现了一个新人种:龙人. 这个龙人是在东北哈尔滨发现的,其实发现已经快有八十年了,当时日本占领了我们哈尔滨,抓了当地的老百姓去修桥.这时候,有一个农民挖到了一个头骨.农民有见识的,听说过北京挖出 ... 科学家刚刚从一条蛇内脏中发现了一个新物种,也证明了一事实 趣味探索讯 最近爬行动物学家对一条保存了40多年的中美洲珊瑚蛇样品进行了研究,吃惊地发现中美洲珊瑚蛇内脏中竟存在着一条未知蛇的遗骸.万万没有想到是,科学家竟然将存在于蛇内脏这条未知蛇的遗骸确定为蛇类新 ... 老年人如何保护自己的身体?最近科学家发现了一个新的免疫系统! 老年人如何保护自己的身体?最近科学家发现了一个新的免疫系统! 科学家将原子放大1亿倍,居然发现了一个新宇宙?太神奇了 我们生活在一个无法理解的世界. 在更大的程度上,即使在"小"的河汉部门,我们的地球也只能被视为尘土,更不用说在更大的层面上了. 在很小的程度上,构成我们身体的书籍数量至少为1000 ... 「Nature子刊」重磅!免疫细胞能够转化为杀伤细胞?关于肿瘤,科学家又发现了一个新的方法 2021-08-31 18:26·Yonic 本文为转化医学网原创 作者:Tiffany 导读:淋巴细胞是免疫反应的核心,医学上通常将淋巴细胞分为三类,即T细胞.B细胞以及NK细胞.T细胞全称是胸腺依 ... 狗狗发现了一个新的网球 狗狗发现了一个新的网球 发现玄关一个新设计:加一条横向台面简单实用,置物方便不占地方 发现玄关一个新设计:加一条横向台面简单实用,置物方便不占地方