Парачастицы: открытие третьего царства квантового мира
Тихим днем во время пандемии 2021 года Чжиюань Ван (Zhiyuan Wang), тогда аспирант Университета Райса, развлекал себя решением необычной математической задачи.
Найдя экзотическое решение, он задумался, можно ли объяснить его с физической точки зрения.
В конце концов, он понял, что оно, похоже, описывает новый тип частиц.
Это были ни частицы материи, ни частицы, переносящие силу.
Казалось, это нечто совершенно иное.
Ван очень хотел превратить случайное открытие в полноценную теорию этого третьего типа частиц.
Он поделился этой идеей со своим научным руководителем Каденом Хаззардом (Kaden Hazzard).
Я сказал: «Я не уверен, что верю в это», — вспоминал Хаззард, — «но если ты действительно так думаешь, тебе следует посвятить этому все свое время и бросить все остальное, над чем ты работаешь».
Парачастицы обладают скрытыми квантовыми состояниями, которые изменяются при обмене местами двух частиц.
В январе этого года Ван, ныне научный сотрудник Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии, и Хаззард опубликовали свои уточненные результаты в журнале Nature.
Они утверждают, что действительно может существовать третий класс частиц, называемых парачастицами.
Эти частицы могут создавать странные новые материалы.
Когда появилась эта статья, Маркус Мюллер (Markus Müller), физик из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене, уже размышлял о понятии парачастиц по другой причине.
Согласно квантовой механике, объект или наблюдатель может находиться в нескольких местах одновременно.
Мюллер размышлял о том, как теоретически можно переключаться между перспективами наблюдателей в этих сосуществующих «ветвях» реальности.
Он понял, что это накладывает новые ограничения на возможность существования парачастиц.
Его команда описала свои результаты в препринте в феврале, который сейчас находится на рассмотрении для публикации в научном журнале.
Совпадение времени публикации двух статей было случайным.
Но в совокупности эти работы вновь открывают загадку физики, которая, как считалось, была разгадана десятилетия назад.
Пересматривается один из основных вопросов: какие типы частиц допускает наш мир?
Скрытые миры
Все известные элементарные частицы делятся на две категории, и эти две категории ведут себя почти противоположно.
Есть частицы, из которых состоит материя, называемые фермионами.
Есть частицы, которые передают фундаментальные силы, называемые бозонами.
Отличительной характеристикой фермионов является то, что при замене местами двух фермионов их квантовое состояние приобретает знак минус.
Наличие этого ничтожного знака минус имеет огромные последствия.
Это означает, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же месте одновременно.
При плотной упаковке фермионы не могут быть сжаты дальше определенного предела.
Эта особенность предотвращает коллапс материи.
Именно поэтому электроны в каждом атоме существуют в «оболочках».
Без этого знака минус мы не могли бы существовать.
Чжиюань Ван, физик из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии.
Австрийский физик Вольфганг Паули (Wolfgang Ernst Pauli) сформулировал свой «принцип исключения» в 1925 году, когда ему было 25 лет.
Он гласит, что два неразличимых фермиона никогда не могут иметь идентичные квантовые состояния.
У бозонов такого ограничения нет.
Группы бозонов будут спокойно делать одно и то же.
Например, любое количество частиц света может находиться в одном и том же месте.
Именно это позволяет создавать лазеры, излучающие множество одинаковых частиц света.
Эта способность обусловлена тем, что при обмене местами двух бозонов их квантовое состояние остается неизменным.
Не очевидно, что фермионы и бозоны должны быть единственными двумя вариантами.
Отчасти это объясняется фундаментальной особенностью квантовой теории.
Чтобы вычислить вероятность измерения частицы в любом конкретном состоянии, необходимо взять математическое описание этого состояния и умножить его само на себя.
Эта процедура может стереть различия.
Например, знак минус исчезнет.
Если участнику викторины «Jeopardy!» дано число 4, он никак не сможет понять, был ли вопрос «Чему равно 2 в квадрате?» или «Чему равно -2 в квадрате?».
Оба варианта математически верны.
Именно благодаря этой особенности фермионы, несмотря на появление знака минус при перестановке, выглядят одинаково при измерении.
Знак минус исчезает при возведении квантовых состояний в квадрат.
Эта неразличимость является важнейшим свойством элементарных частиц.
Ни один эксперимент не может отличить две частицы одного вида друг от друга.
Но знак минус может быть не единственным, что исчезает.
Теоретически, квантовые частицы также могут иметь скрытые внутренние состояния.
Это математические структуры, не наблюдаемые при прямых измерениях, которые также исчезают при возведении в квадрат.
Австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал свой «принцип исключения» в 1925 году, когда ему было 25 лет. Он гласит, что два неразличимых фермиона никогда не могут иметь идентичные квантовые состояния.
Третья, более общая категория частиц, известная как парачастица, может возникнуть из-за изменения этого внутреннего состояния множеством способов при обмене частицами местами.
Хотя квантовая теория, по-видимому, допускает это, физики испытывали трудности с поиском работающего математического описания парачастицы.
В 1950-х годах физик Герберт Грин (Herbert Green) предпринял несколько попыток.
Но дальнейшее исследование показало, что эти модели парачастиц на самом деле представляли собой лишь математические комбинации типичных бозонов и фермионов.
В 1970-х годах загадка того, почему никто не мог найти подходящую модель парачастиц, казалось, была решена.
Сборник теорем, названный теорией DHR (в честь математических физиков Серджио Доплихера (Sergio Doplicher), Рудольфа Хаага (Rudolf Haag) и Джона Робертса (John Roberts)), доказал, что при выполнении определённых предположений физически возможны только бозоны и фермионы.
Одно из предположений — «локальность», правило, согласно которому на объекты могут воздействовать только то, что находится в их окрестностях.
«Если я ткну в свой стол, мне лучше не воздействовать на Луну мгновенно», — как выразился Хаззард.
Доказательство DHR также предполагало, что пространство (по крайней мере) трёхмерно.
Полученные результаты на десятилетия отбили охоту к новым исследованиям парачастиц, за одним исключением.
В начале 1980-х годов физик Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) разработал теорию частиц, называемых анионами, которые нельзя описать ни как бозоны, ни как фермионы.
Чтобы обойти теоремы DHR, анионы имеют существенный недостаток: они могут существовать только в двух измерениях.
В настоящее время физики активно изучают анионы на предмет их потенциала в квантовых вычислениях.
Даже будучи ограниченными двумя измерениями, они могут проявляться на плоской поверхности материала или в двумерном массиве кубитов в квантовом компьютере.
Однако существование трехмерных парачастиц, способных образовывать твердое тело, по-прежнему казалось невозможным.
По крайней мере, до настоящего момента.
Смена целей
В процессе разработки своей модели Ван и Хаззард заметили, что предположения, лежащие в основе теории DHR, выходят за рамки типичных соображений локальности.
«Я думаю, люди слишком глубоко интерпретировали ограничения, которые на самом деле накладывались этими теоремами», — сказал Хаззард.
Парачастицы, как они поняли, теоретически все же могут существовать.
В их модели, помимо обычных свойств частицы, таких как заряд и спин, группы парачастиц обладают дополнительными скрытыми свойствами.
Как и в случае со знаком минус, который возводится в квадрат во время измерения, эти скрытые свойства нельзя измерить напрямую.
Но они изменяют поведение частиц.
Каден Хаззард, физик из Университета Райса.
Когда вы меняете местами две парачастицы, эти скрытые свойства изменяются одновременно.
В качестве аналогии представьте, что эти свойства — цвета.
Начнём с двух парачастиц: одна внутри красная, а другая внутри синяя.
Когда они меняются местами, вместо того чтобы сохранить свои цвета, они обе изменяются соответствующим образом, как предписано математикой конкретной модели.
Возможно, в результате обмена они становятся зелёными и жёлтыми.
Это быстро превращается в сложную игру, где парачастицы влияют друг на друга невидимым образом по мере своего перемещения.
Тем временем Мюллер также был занят переосмыслением теорем DHR.
«Не всегда понятно, что они означают, потому что они находятся в очень сложной математической структуре», — сказал он.
Его команда применила новый подход к вопросу о парачастицах.
Исследователи учли тот факт, что квантовые системы могут существовать одновременно в нескольких возможных состояниях — то, что называется суперпозицией.
Они представили себе переключение между перспективами наблюдателей, существующих в этих суперпозиционных состояниях, каждый из них описывает свою ветвь реальности немного по-разному.
Если две частицы действительно неразличимы, предположили они, то не будет иметь значения, поменяны ли частицы местами в одной ветви суперпозиции и не поменяны в другой.
«Возможно, если частицы находятся близко, я меняю их местами, но если они далеко, я ничего не делаю», — сказал Мюллер.
«А если они находятся в суперпозиции обоих, то я меняю их местами в одной ветви, а в другой ничего не делаю».
Не должно иметь значения, одинаково ли наблюдатели в разных ветвях обозначают две частицы.
Более строгое определение неразличимости в контексте суперпозиций накладывает новые ограничения на типы частиц, которые могут существовать.
Когда эти предположения выполняются, исследователи обнаружили, что парачастицы невозможны.
Для того чтобы частица была действительно неразличима при измерении, как ожидают физики от элементарных частиц, она должна быть либо бозоном, либо фермионом.
Хотя Ван и Хаззард опубликовали свою статью первыми, кажется, они предвидели ограничения Мюллера.
Их парачастицы возможны, потому что их модель отвергает исходное предположение Мюллера: частицы не являются неразличимыми в полном смысле, необходимом в контексте квантовых суперпозиций.
Это влечет за собой следствие.
Хотя обмен двумя парачастицами не влияет на измерения одного человека, два наблюдателя, обмениваясь данными друг с другом, могут определить, были ли парачастицы поменяны местами.
Это происходит потому, что обмен парачастицами может изменить то, как измерения двух людей соотносятся друг с другом.
В этом смысле они могут различить две парачастицы.
Это означает, что существует потенциал для новых состояний материи.
В то время как бозоны могут упаковывать бесконечное количество частиц в одно и то же состояние, а фермионы вообще не могут находиться в одном состоянии, парачастицы оказываются где-то посередине.
Они способны упаковывать лишь несколько частиц в одно и то же состояние, прежде чем начнут сжиматься и вынуждать другие частицы переходить в новые состояния.
Точное количество частиц, которые можно упаковать вместе, зависит от особенностей парачастицы — теоретическая модель допускает бесконечное количество вариантов.
«Их статья меня очень заинтересовала, и в ней нет абсолютно никакого противоречия тому, чем занимаемся мы», — сказал Мюллер.
Путь к реальности
Если парачастицы существуют, то, скорее всего, это будут возникающие частицы, называемые квазичастицами, которые проявляются в виде энергетических колебаний в некоторых квантовых материалах.
«Возможно, мы получим новые модели экзотических фаз, которые раньше было трудно понять, а теперь их можно легко решить с помощью парачастиц», — сказал Мэн Чэн (Meng Cheng), физик из Йельского университета, не принимавший участия в исследовании.
Брайс Гэдвей (Bryce Gadway), физик-экспериментатор из Университета штата Пенсильвания, который иногда сотрудничает с Хаззардом, оптимистично настроен относительно того, что парачастицы будут созданы в лаборатории в ближайшие несколько лет.
В этих экспериментах будут использоваться атомы Ридберга (Rydberg) — заряженные атомы, электроны которых перемещаются очень далеко от своих ядер.
Такое разделение положительного и отрицательного заряда делает атомы Ридберга особенно чувствительными к электрическим полям.
Из взаимодействующих атомов Ридберга можно создавать квантовые компьютеры.
Они также являются идеальными кандидатами для создания парачастиц.
«Для определённого типа квантовых симуляторов Ридберга это, по сути, то, что они делали бы естественным образом», — сказал Гэдвей о создании парачастиц.
«Вы просто подготавливаете их и наблюдаете за их эволюцией».
Но пока что третье царство частиц остается исключительно теоретическим явлением.
«Парачастицы могут стать важными, — сказал Вильчек, физик, лауреат Нобелевской премии и изобретатель анионов.
Но в настоящее время они, по сути, являются теоретической диковинкой».
| Тип частицы | Свойства при обмене | Примеры |
| Фермионы | Знак минуса в состоянии | Электроны, протоны |
| Бозоны | Состояние неизменно | Фотоны, глюоны |
| Парачастицы | Изменение скрытых свойств | Теоретические квазичастицы |
Часто задаваемые вопросы
Что такое парачастицы?
Парачастицы представляют собой гипотетический третий класс квантовых частиц, отличный от фермионов и бозонов.
Они обладают скрытыми внутренними свойствами, которые изменяются при обмене частиц местами.
Это открытие может привести к созданию новых экзотических материалов.
Почему парачастицы считались невозможными?
Долгое время теорема DHR доказывала, что в трехмерном пространстве возможны только фермионы и бозоны.
Эта теория основывалась на принципах локальности и размерности пространства.
Новые исследования показали, что эти ограничения можно обойти.
Как парачастицы отличаются от анионов?
Анионы могут существовать только в двухмерных системах, например, на поверхностях материалов.
Парачастицы же теоретически могут существовать в трехмерном пространстве.
Это делает их более универсальными для потенциального применения.
Где могут быть обнаружены парачастицы?
Ученые предполагают, что парачастицы могут проявляться как квазичастицы в квантовых материалах.
Особый интерес представляют атомы Ридберга, используемые в квантовых компьютерах.
Лабораторные эксперименты с ними могут подтвердить существование парачастиц.
Каково практическое значение открытия?
Открытие парачастиц может привести к созданию новых состояний материи.
Это расширит наши возможности в области квантовых вычислений и материаловедения.
Пока же это остается важной теоретической диковинкой.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
