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quantum physics

“Paraparticles”或将成为量子粒子的第三类王国

By Shalma Wegsman April 11, 2025 一项新的提议认为，在奇异材料中可以创造出 Paraparticles——一种新的量子粒子类别。

Paraparticles 将拥有隐藏的量子态，当两个粒子交换位置时，这些量子态会发生变化。 Kristina Armitage/Quanta Magazine

Introduction

April 11, 2025

condensed matter physics physics quantum physics quasiparticles All topics

2021 年一个安静的疫情午后，当时还是 Rice University 研究生的 Zhiyuan Wang (opens a new tab)，为了缓解无聊，正在研究一个奇怪的数学问题。 在他找到一个奇异的解决方案后，他开始怀疑这个数学是否可以进行物理上的解释。 最终，他意识到这似乎描述了一种新型粒子：既不是构成物质的粒子，也不是传递力的粒子。 它似乎完全是另一种东西。

Wang 渴望将这个意外的发现发展成关于这种第三类粒子的完整理论。 他把这个想法告诉了他的学术顾问 Kaden Hazzard (opens a new tab)。

“我说，我不确定我相信这可能是真的，”Hazzard 回忆说，“但如果你真的认为它是真的，你应该把所有时间都花在这上面，放弃你正在做的其他一切。”

今年一月，现在是德国 Max Planck Institute of Quantum Optics 博士后研究员的 Wang 和 Hazzard 在 Nature 杂志上 发表 (opens a new tab) 了他们改进后的结果。 他们说，确实可以存在第三类粒子，称为 Paraparticles，并且这些粒子可以产生奇怪的新材料。

当这篇论文发表时，维也纳 Institute for Quantum Optics and Quantum Information 的物理学家 Markus Müller (opens a new tab) 已经在因为另一个原因而关注 Paraparticles 的概念。 根据量子力学，一个物体或观察者可以同时位于多个位置。 Müller 正在思考如何在纸面上切换这些共存的现实“分支”中观察者的视角。 他意识到这给 Paraparticles 的可能性带来了新的限制，他的团队在 2 月份的 预印本 (opens a new tab) 中描述了他们的结果，该预印本目前正在接受期刊的发表审核。

两篇论文发表的时间如此接近纯属巧合。 但总的来说，这项工作重新开启了一个物理谜题的案例，这个谜题在几十年前就被认为已经解决了。 一个基本问题正在被重新评估：我们的世界允许存在哪些种类的粒子？

隐藏的世界

所有已知的基本粒子都分为两类，这两类的行为几乎相反。 一类是构成物质的粒子，称为费米子 (fermions)，另一类是传递基本力的粒子，称为玻色子 (bosons)。

费米子的定义特征是，如果你交换两个费米子的位置，它们的量子态会获得一个负号。 这个微不足道的负号具有巨大的影响。 这意味着没有两个费米子可以同时位于同一位置。 当聚集在一起时，费米子不能被压缩超过某个点。 这一特性阻止了物质自身的坍缩——这就是每个原子中的电子都存在于“壳层”中的原因。 如果没有这个负号，我们就不可能存在。

玻色子没有这样的限制。 成群的玻色子会很高兴地做完全相同的事情。 例如，任何数量的光粒子都可以位于同一位置。 这使得制造激光成为可能，激光会发射许多相同的光粒子。 这种能力归结为这样一个事实：当两个玻色子交换位置时，它们的量子态保持不变。

费米子和玻色子应该是仅有的两个选择，这一点并不明显。

这部分是由于量子理论的一个基本特征：要计算在任何特定状态下测量粒子的概率，你必须将该状态的数学描述与其自身相乘。 这个过程可以消除差异。 例如，一个负号会消失。 如果给定数字 4，Jeopardy! 选手将无法知道问题是“2 的平方是什么？” 还是“负 2 的平方是什么？”——这两种可能性在数学上都是有效的。

正是由于这个特性，费米子尽管在交换位置时会获得一个负号，但在测量时看起来都一样——当量子态被平方时，这个负号会消失。 这种不可区分性是基本粒子的一个关键属性； 没有任何实验可以区分同类的两个粒子。

奥地利物理学家 Wolfgang Pauli 在 1925 年，也就是他 25 岁时，提出了他的“不相容原理”。 它指出，两个无法区分的费米子永远不能具有相同的量子态。 Wikimedia Commons

但是，负号可能不是唯一会消失的东西。 理论上，量子粒子也可以具有隐藏的内部状态，这些内部状态是在直接测量中看不到的数学结构，在进行平方运算时也会消失。 一种更普遍的第三类粒子，称为 Paraparticle，可能是由于这种内部状态在粒子交换位置时以无数种方式发生变化而产生的。

虽然量子理论似乎允许存在 Paraparticle，但物理学家一直难以找到有效的 Paraparticle 数学描述。 在 20 世纪 50 年代，物理学家 Herbert Green 做了一些尝试，但进一步的检查表明，这些 Paraparticle 模型实际上只是典型的玻色子和费米子的数学组合。

在 20 世纪 70 年代，为什么没有人能找到合适的 Paraparticle 模型这个谜团似乎得到了解决。 一系列被称为 DHR 理论的定理，以数学物理学家 Sergio Doplicher、Rudolf Haag 和 John Roberts 的名字命名，证明如果某些假设成立，则只有玻色子和费米子在物理上是可能的。 其中一个假设是“局域性 (locality)”，即物体只能受到其附近事物影响的规则。 （正如 Hazzard 所说，“如果我戳我的桌子，我最好不要立即影响到月球。”）DHR 证明还假设空间是（至少）三维的。

这些结果让人们几十年都不敢涉足 Paraparticle 领域，但有一个例外。 在 20 世纪 80 年代初，物理学家 Frank Wilczek 提出了 称为 anyons 的粒子理论，这些粒子不能被描述为玻色子或费米子。 为了绕过 DHR 定理，anyons 有一个很大的限制：它们只能存在于二维空间中。

物理学家 现在广泛研究 anyons，因为它们在量子计算中具有潜力。 即使局限于二维空间，它们也可以在材料的平面上或量子计算机的二维 qubit 阵列中显现出来。

但是，在三维空间中可以形成固体的 Paraparticle 仍然看起来是不可能的。 也就是说，直到现在。

视角转变

在开发他们的模型时，Wang 和 Hazzard 注意到 DHR 理论背后的假设超出了人们通常对局域性的关注。 “我认为人们过度解释了这些定理实际施加的限制或约束，”Hazzard 说。 他们意识到，Paraparticle 可能在理论上是可能的。

在他们的模型中，除了粒子通常具有的诸如电荷和自旋之类的属性之外，成群的 Paraparticle 还共享额外的隐藏属性。 与在测量过程中被平方掉的负号一样，你不能直接测量这些隐藏属性，但它们会改变粒子的行为方式。

Rice University 的物理学家 Kaden Hazzard。 Jeff Fitlow/Rice University

当你交换两个 Paraparticle 时，这些隐藏属性会协同变化。 作为一个类比，想象一下这些属性是颜色。 从两个 Paraparticle 开始，一个内部是红色，另一个内部是蓝色。 当它们交换位置时，它们不会保持这些颜色，而是按照特定模型的数学规定，以相应的方式改变颜色。 也许交换后它们会变成绿色和黄色。 这很快变成了一个复杂的游戏，Paraparticle 在移动时以看不见的方式相互影响。

与此同时，Müller 也在忙于重新思考 DHR 定理。 “他们意味着什么并不总是非常清楚，因为它在一个非常复杂的数学框架中，”他说。

他的团队对 Paraparticle 问题采取了一种新的方法。 研究人员考虑了量子系统可以同时存在于多种可能状态这一事实——这被称为叠加态。 他们想象在存在于这些叠加态中的观察者的视角之间进行切换，每个观察者对他们所在现实分支的描述略有不同。 他们认为，如果两个粒子是真正无法区分的，那么在一个叠加态分支中交换粒子而在另一个分支中不交换粒子是没有区别的。

“也许如果粒子靠得很近，我会交换它们，但如果它们离得很远，我什么也不做，”Müller 说。 “如果它们处于两者的叠加态，那么我在一个分支中进行交换，而在另一个分支中什么也不做。” 各个分支中的观察者以相同的方式标记这两个粒子应该没有任何区别。

Inside the Knotty World of ‘Anyon’ Particles

Inside the Knotty World of ‘Anyon’ Particles

February 28, 2017

这种在叠加态背景下对不可区分性更为严格的定义对可以存在的粒子种类施加了新的限制。 研究人员发现，当这些假设成立时，Paraparticle 是不可能存在的。 对于一个可以通过测量真正无法区分的粒子（正如物理学家期望基本粒子那样），它必须是玻色子或费米子。

虽然 Wang 和 Hazzard 首先发表了他们的论文，但他们似乎看到了 Müller 即将施加的约束。 他们的 Paraparticle 之所以可能存在，是因为他们的模型拒绝了 Müller 的起始假设：这些粒子在量子叠加态背景下所要求的完整意义上是不可区分的。 这带来了一个后果。 虽然交换两个 Paraparticle 对一个人的测量没有影响，但两位观察者可以通过相互分享他们的数据来确定 Paraparticle 是否已被交换。 这是因为交换 Paraparticle 可能会改变两个人的测量结果之间的关系。 从这个意义上说，他们可以区分这两个 Paraparticle。

这意味着存在新物质状态的可能性。 玻色子可以将无数个粒子塞进同一状态，而费米子根本无法共享一个状态，Paraparticle 最终介于两者之间。 它们能够将几个粒子塞进同一状态，然后在变得拥挤并迫使其他粒子进入新状态之前。 究竟可以将多少粒子塞在一起取决于 Paraparticle 的细节——理论框架允许无限的选择。

“我发现他们的论文非常引人入胜，并且与我们所做的完全没有矛盾，”Müller 说。

通往现实之路

如果 Paraparticle 存在，它们很可能是作为准粒子出现的涌现粒子，它们会以特定量子材料中的高能振动的形式显现出来。

“我们可能会得到奇异相的新模型，这些模型以前很难理解，但现在你可以使用 Paraparticle 轻松解决，”Yale University 的物理学家 Meng Cheng (opens a new tab) 说，他没有参与这项研究。

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Pennsylvania State University 的实验物理学家 Bryce Gadway (opens a new tab) 有时会与 Hazzard 合作，他对在未来几年内在实验室中实现 Paraparticle 持乐观态度。 这些实验将使用里德堡原子 (Rydberg atoms)，这是一种带电原子，其电子远离其原子核。 正负电荷的分离使里德堡原子对电场特别敏感。 你可以用相互作用的里德堡原子构建量子计算机。 它们也是创造 Paraparticle 的完美候选者。

“对于某种里德堡量子模拟器来说，这有点像它们自然会做的事情，”Gadway 在谈到创造 Paraparticle 时说。 “你只需准备好它们，然后观察它们进化。”

但就目前而言，粒子的第三类王国仍然完全是理论上的。

“Paraparticle 可能会变得重要，”诺贝尔奖获得者、anyons 的发明者 Wilczek 说。 “但目前它们基本上是一种理论上的好奇心。”