窺見物理學(xué)家大腦中的“精靈”

吳長鋒

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等人在國際上首次通過量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淞孔游飸B(tài)中的準(zhǔn)粒子——任意子，并實現(xiàn)了任意子之間的編織交換過程。

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國際上首次通過量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)淞孔游飸B(tài)中的準(zhǔn)粒子——任意子，并證實了任意子的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性，向著實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎氵~出了重要一步。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》發(fā)表了該成果。

究竟什么是任意子？為什么它會在自然界中出現(xiàn)？

自然界存在著奇異粒子

1983年，人們在研究當(dāng)時引人注目的一個宏觀量子現(xiàn)象——分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)時，逐漸意識到這個效應(yīng)中可能就存在任意子。

愛因斯坦曾說過：“常識只是人們在18歲以前對自然形成的一種偏見?！边@話很詼諧，但寓意深刻。新的物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，就會產(chǎn)生一種全新的理論。新理論相對于舊理論而言，一般總是要違背某些所謂的常識，分?jǐn)?shù)統(tǒng)計及服從分?jǐn)?shù)統(tǒng)計的任意子理論的誕生及其發(fā)展過程，就是一個典型的例證。

“量子力學(xué)中最美妙、最驚人的成就之一，就是給經(jīng)典力學(xué)中毫無意義的全同粒子不可區(qū)分性原理賦予了全新的含義，真正不可區(qū)分的全同粒子之間具有強(qiáng)烈的相互作用”，中國科技大學(xué)陳宇翱教授告訴記者，這種相互作用通常是通過量子統(tǒng)計規(guī)則來實現(xiàn)的。一般說來，全同粒子可分為兩類：一類是費米子，具有強(qiáng)烈的排斥作用；另一類是玻色子，都可以凝聚到能量最低態(tài)。

“多年來，人們一直認(rèn)為自然界中只存在費米和玻色兩種量子統(tǒng)計。但有人對此提出了疑義，認(rèn)為可能存在介于玻色子和費米子之間的新的全同粒子，這種粒子一般被稱為‘任意子，它所遵循的統(tǒng)計規(guī)則叫分?jǐn)?shù)統(tǒng)計”，陳宇翱說，最早指出這種新的量子統(tǒng)計可能存在的，是兩位挪威物理學(xué)家。在系統(tǒng)地研究了空間拓?fù)湫再|(zhì)和全同粒子不可區(qū)分性原理后，意識到在二維空間中可能存在新的量子統(tǒng)計，1982年美國物理學(xué)家F·魏爾茨克提出了任意子的概念。

隨后研究表明，任意子可以存在于某些理論模型之中，當(dāng)時的任意子僅僅是寄生在少數(shù)幾個理論物理學(xué)家大腦中的精靈，甚至被認(rèn)為這只是一些數(shù)學(xué)上的奇異現(xiàn)象，誰都沒有料想到，現(xiàn)實世界中居然還真的會發(fā)現(xiàn)這種奇異粒子存在的跡象。1983年，人們在研究當(dāng)時引人注目的一個宏觀量子現(xiàn)象——分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)時，逐漸意識到這個效應(yīng)中可能就存在任意子。

這在物理學(xué)界引起了廣泛注意，從而為任意子的理論研究注入了生機(jī)。在分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)理論方面作出了杰出貢獻(xiàn)的美國物理學(xué)家R.B.勞克林指出，處在費米和玻色子之間的服從1/2統(tǒng)計的任意子的基態(tài)可能是超導(dǎo)的，他的理論簡單新穎，激發(fā)了人們對任意子理論進(jìn)行深入細(xì)致的研究，成為理論物理研究中的一個熱點?！爱?dāng)任意子的概念提出時，它似乎違反了量子力學(xué)的基本常識，但通過分析量子力學(xué)中拓?fù)湫再|(zhì)后，找到了這種粒子在二維空間存在的可能性?！标愑畎空f。

任意子只會在二維空間出現(xiàn)

二維空間的拓?fù)湫再|(zhì)與現(xiàn)實生活中的螺旋結(jié)構(gòu)有些類似。在二維空間中，兩個全同粒子交換位置，總可以分為逆時針和順時針兩個方向的繞動。這就是二維空間中為什么會出現(xiàn)任意子的原因。

既然任意子只會在二維空間出現(xiàn)，而我們生活的世界是三維的，那么現(xiàn)實世界中不就沒有任意子存在了嗎？

為了解答記者提出的問題，陳宇翱教授舉了個日常生活中的例子：“例如女孩子編辮子，將一部分頭發(fā)分成三股，依次由外朝里編，每編一次就會形成一個結(jié)，連續(xù)編兩次，頭發(fā)并不會回到原來的狀態(tài)，多編幾次就編成了一個辮子。又如，我們繞螺旋樓梯登高塔，每走一圈就上升一層，并不是回到原地，但從塔頂往下看，我們只是繞塔在原地兜圈子?！?/p>

“二維空間的拓?fù)湫再|(zhì)多少與這些具有螺旋結(jié)構(gòu)的例子有些類似”，陳宇翱說，在二維空間中，兩個全同粒子交換位置，總可以分為逆時針和順時針兩個方向的繞動。而在三維空間中脫離一個特定的平面后，或者說一個有特定方向的軸線后，就不再有繞動這樣的概念?！八?，在二維空間中兩個粒子朝一個方向連續(xù)交換兩次，波函數(shù)并不一定要求回到原來的狀態(tài)，而完全可以多出一個復(fù)相因子，這時波函數(shù)的幾率分布并不改變”，“不太嚴(yán)格地說，這就是二維空間中為什么會出現(xiàn)任意子的原因”。

近幾十年來，物理學(xué)家對具有低維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行了大量的研究發(fā)現(xiàn)，這些固體中有許多現(xiàn)象和低維空間的許多性質(zhì)相關(guān)，如固體中的層狀結(jié)構(gòu)就具有二維空間的許多性質(zhì)，這為任意子的存在提供了基礎(chǔ)。當(dāng)1983年美國物理學(xué)家霍爾珀林指出，現(xiàn)實世界中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)任意子存在的論據(jù)時，連任意子理論創(chuàng)導(dǎo)者之一的F·魏爾茨克都表示驚訝不已，大有“葉公好龍”之嫌。

“雖然現(xiàn)實世界是三維的，但是固體物質(zhì)的豐富結(jié)構(gòu)為我們尋找新的復(fù)合粒子提供了有利場所，脫離這些物質(zhì)我們是不可能發(fā)現(xiàn)新的任意子的?！标愑畎空f。

“窺見”任意子

潘建偉研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地搭建了新的實驗系統(tǒng)并開發(fā)了獨特的量子調(diào)控技術(shù)，通過微波反轉(zhuǎn)原子自旋的方法，實現(xiàn)了任意子之間的編織交換過程。

任意子的理論被提出后不久，物理學(xué)家就在實驗中捕捉到了它的蹤跡。但如何直接實驗觀測任意子交換時產(chǎn)生的拓?fù)湎辔唬M(jìn)而驗證其分?jǐn)?shù)統(tǒng)計特性，一直是一個巨大的實驗挑戰(zhàn)。

10多年前，潘建偉研究團(tuán)隊就開始了對拓?fù)淞孔佑嬎愕难芯坎⑷〉昧艘幌盗谐晒?。近期，他們?chuàng)造性地搭建了新的實驗系統(tǒng)并開發(fā)了獨特的量子調(diào)控技術(shù)，研發(fā)了自旋依賴的超晶格系統(tǒng)來囚禁和操控超冷原子，成功操控光晶格中約800個超冷原子同時產(chǎn)生了約200個四原子自旋糾纏態(tài)。他們首次觀測到了四體環(huán)交換相互作用，并通過微波反轉(zhuǎn)原子自旋的方法，實現(xiàn)了任意子之間的編織交換過程，首次在光晶格體系中直接觀測到了任意子交換產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)拓?fù)湎辔弧?/p>

有學(xué)者甚至提出一個大膽的設(shè)想，利用拓?fù)洳牧媳Ｗo(hù)量子比特并操控材料中的任意子進(jìn)行量子計算。而理論研究表明，拓?fù)淞孔佑嬎憧梢赃_(dá)到很高的容錯能力，進(jìn)而激發(fā)了科學(xué)家們研制量子計算機(jī)的熱情。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界中確實存在任意子，這極大地豐富了量子理論，使我們對物質(zhì)世界有了更深刻的認(rèn)識?？梢韵嘈?，隨著人們對具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行深入的研究，任意子理論會具有更廣泛的應(yīng)用前景，但其中還有許多基本問題有待去研究、去探索?！标愑畎空f。