量子物理出現(xiàn)新突破，一維體系中發(fā)現(xiàn)新型粒子行為

現(xiàn)代物理學(xué)有一個(gè)看起來(lái)非常牢固的共識(shí)。

即宇宙里所有基本粒子都可以分成兩類。

一類叫玻色子
另一類叫費(fèi)米子

這不是隨便起的名字，而是整個(gè)物理結(jié)構(gòu)的地基。

光子屬于玻色子，電子、質(zhì)子、中子屬于費(fèi)米子。一個(gè)負(fù)責(zé)傳遞作用力，一個(gè)負(fù)責(zé)組成物質(zhì)。幾十年來(lái)，這套劃分幾乎像自然規(guī)律一樣穩(wěn)固。

如果你學(xué)過(guò)一點(diǎn)量子力學(xué)，你甚至?xí)X(jué)得這件事理所當(dāng)然。粒子交換位置時(shí)只有兩種可能。要么系統(tǒng)完全不變，要么波函數(shù)翻轉(zhuǎn)符號(hào)。數(shù)學(xué)上對(duì)應(yīng)的結(jié)果只有加一和減一。

聽(tīng)起來(lái)像是一道早就寫(xiě)好的選擇題。

但真正的問(wèn)題在這里。

這種分類只在三維空間成立。

一旦空間維度發(fā)生變化，這套看似天經(jīng)地義的結(jié)構(gòu)就開(kāi)始松動(dòng)。

物理學(xué)家其實(shí)早就懷疑過(guò)這一點(diǎn)。

上世紀(jì)七十年代，理論研究提出一種奇怪的可能性。在某些低維空間里，粒子在交換位置時(shí)，不一定非得選擇加一或者減一。它們可以落在中間任意位置。

這種介于兩者之間的粒子后來(lái)被命名為任意子。意思很直白，就是既不是玻色子，也不是費(fèi)米子。

很多年里，這種東西只是數(shù)學(xué)推演的產(chǎn)物。直到二零二零年，人們?cè)诙S材料界面中第一次觀測(cè)到任意子的存在。這已經(jīng)讓粒子分類這件事出現(xiàn)了第一道裂縫。

而最近，一項(xiàng)新的理論研究把這條裂縫又向前撕開(kāi)了一點(diǎn)。

研究者發(fā)現(xiàn)，在一維體系里，也可能存在任意子，而且這種任意子甚至具有可以調(diào)節(jié)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。

換句話說(shuō)，如果宇宙被壓縮成一條線，粒子行為可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)連續(xù)光譜，而不是簡(jiǎn)單的兩分法。

理解這件事，必須先回到粒子分類的底層邏輯。

粒子為什么會(huì)被分成玻色子和費(fèi)米子，其實(shí)來(lái)自一個(gè)極其微妙的量子原則。不可區(qū)分性。

在經(jīng)典世界里，兩顆彈珠只要顏色不同，就能被區(qū)分。即使交換位置，我們?nèi)匀恢勒l(shuí)是誰(shuí)。

量子世界完全不是這樣。兩個(gè)電子如果所有量子屬性都相同，那么它們?cè)谖锢砩暇屯耆豢蓞^(qū)分。交換位置這件事，本質(zhì)上等價(jià)于什么都沒(méi)發(fā)生。

而物理定律要求，系統(tǒng)狀態(tài)在這種交換操作下必須保持一致。數(shù)學(xué)上這意味著交換兩次必須回到原狀態(tài)。能滿足這個(gè)條件的只有兩個(gè)結(jié)果。

加一，對(duì)應(yīng)玻色子
減一，對(duì)應(yīng)費(fèi)米子

這就是三維宇宙里粒子只能有兩種統(tǒng)計(jì)行為的原因。

但這個(gè)推理有一個(gè)隱藏前提。

粒子可以在空間中繞過(guò)彼此。

在三維空間里，這幾乎是必然的。兩個(gè)粒子要交換位置，可以走無(wú)數(shù)條不同路徑。只要最終位置互換，路徑細(xì)節(jié)不會(huì)影響系統(tǒng)狀態(tài)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許這些路徑被連續(xù)變形到同一種情形。

低維空間則完全不同。

在二維平面中，粒子交換路徑會(huì)形成類似編織的結(jié)構(gòu)。路徑之間不再總是可以互相變形。交換方式本身會(huì)留下歷史痕跡。這時(shí)交換操作不再等同于什么都沒(méi)發(fā)生，統(tǒng)計(jì)行為因此出現(xiàn)新的可能。

這正是二維任意子存在的根源。

而一維空間的情況更加極端。

在一條線上，粒子根本無(wú)法繞行。要交換位置，它們只能直接穿過(guò)彼此。這種過(guò)程會(huì)把粒子間的相互作用強(qiáng)度直接嵌入統(tǒng)計(jì)行為中。

換句話說(shuō)，在一維系統(tǒng)里，粒子如何相互碰撞，會(huì)直接決定它們交換時(shí)的統(tǒng)計(jì)特性。

這就是新研究真正抓住的核心。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)理論框架，描述具有短程相互作用的一維粒子系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)，這種系統(tǒng)可以自然產(chǎn)生任意子的統(tǒng)計(jì)行為，而且交換統(tǒng)計(jì)參數(shù)可以通過(guò)相互作用強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

這意味著統(tǒng)計(jì)性質(zhì)不再是固定標(biāo)簽，而變成可以調(diào)控的物理量。

更重要的是，這套理論還預(yù)測(cè)了一個(gè)可觀測(cè)特征。任意子的動(dòng)量分布會(huì)呈現(xiàn)獨(dú)特尾部結(jié)構(gòu)，這為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了明確目標(biāo)。

而實(shí)驗(yàn)條件其實(shí)已經(jīng)存在。

近年來(lái)，超冷原子技術(shù)可以把粒子限制在近似一維的光學(xué)勢(shì)阱中，同時(shí)精確調(diào)控粒子間相互作用。這類系統(tǒng)已經(jīng)成為研究量子多體行為的重要平臺(tái)。理論與實(shí)驗(yàn)之間的距離正在迅速縮短。

這項(xiàng)工作真正重要的地方，不只是提出一種新型準(zhǔn)粒子。

它動(dòng)搖的是一個(gè)更深層的直覺(jué)。

我們一直默認(rèn)粒子的性質(zhì)屬于粒子本身。但任意子的存在提示另一種可能。粒子的統(tǒng)計(jì)行為不只取決于它是什么，還取決于它所處空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相互作用方式。

換句話說(shuō)，粒子身份并非完全內(nèi)稟屬性，而是空間維度與動(dòng)力學(xué)規(guī)則共同塑造的結(jié)果。

這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)反常識(shí)，但量子物理本來(lái)就經(jīng)常逼人接受這種結(jié)果。

如果把視角再放大一點(diǎn)，這項(xiàng)研究還透露出另一層意味。

物理學(xué)通常從三維世界出發(fā)建立直覺(jué)，然后再把理論推廣到其他維度。但低維系統(tǒng)不斷提醒我們，三維空間可能只是眾多可能性中的一種特殊情況。

當(dāng)空間維度改變時(shí)，連粒子分類這樣看似基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生變化。這意味著我們熟悉的物理規(guī)律，也許只是某種維度環(huán)境下的穩(wěn)定解。

任意子一直被視為量子計(jì)算的重要候選載體。特別是在二維拓?fù)淞孔佑?jì)算方案中，任意子的編織操作可以天然抵抗噪聲。

如今，一維體系中出現(xiàn)可調(diào)任意子，可能為量子模擬和量子信息提供新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究目前仍屬于理論階段。但它給出的預(yù)測(cè)具有明確實(shí)驗(yàn)路徑，而相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟。這讓一維任意子的研究從數(shù)學(xué)構(gòu)想變成了可以觸及的現(xiàn)實(shí)課題。

如果把這件事用最簡(jiǎn)單的話概括，其實(shí)非常直接。

在三維宇宙里，粒子只有兩種性格。
在低維世界中，粒子性格可能是一整條連續(xù)譜。

而空間維度，居然可以決定粒子行為的根本規(guī)則。

論文信息

Raúl Hidalgo-Sacoto 等
Universal momentum tail of identical one-dimensional anyons with two-body interactions
Physical Review A (2025)

Raúl Hidalgo-Sacoto 等
Two identical one-dimensional anyons with zero-range interactions
Physical Review A (2025)

研究由沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)與俄克拉荷馬大學(xué)合作完成。