Наверх«Парачастицы» — возможно, третий царство квантовых частиц, меняющее правила игры
Парачастицы — новый класс квантовых частиц, способный изменить представление о материи и создавать экзотические материалы.
Тихим пандемийным днём в 2021 году Чжиюань Ван, в то время аспирант Университета Райса, от скуки решал странную математическую задачу. Найдя экзотическое решение, он задумался, можно ли интерпретировать математику с физической точки зрения. В конце концов он понял, что она, похоже, описывает новый тип частиц: не частицы материи и не частицы, переносящие силу. Похоже, это было что-то совершенно иное.
Ван стремился развить случайное открытие в полноценную теорию этого третьего вида частиц. Он поделился этой идеей с Кейденом Хаззардом, своим научным руководителем.
«Я сказал, что не уверен, что это правда, — вспоминает Хаззард, — но если ты действительно так думаешь, то тебе следует посвятить этому всё своё время и забросить всё остальное, над чем ты работаешь».
В январе этого года Ван, который сейчас работает над докторской диссертацией в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка в Германии, и Хаззард опубликовали уточнённый результат в журнале Nature. Они утверждают, что третий класс частиц, называемых парачастицами, действительно может существовать и что эти частицы могут образовывать новые странные материалы.
Когда вышла статья, Маркус Мюллер, физик из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене, уже размышлял о парачастицах, но по другой причине. Согласно квантовой механике, объект или наблюдатель может находиться в нескольких местах одновременно. Мюллер думал о том, как можно на бумаге переключаться между точками зрения наблюдателей в этих сосуществующих «ветвях» реальности. Он понял, что это накладывает новые ограничения на возможность существования парачастиц, и его команда описала свои результаты в препринте, который сейчас проходит рецензирование для публикации в журнале.
То, что эти две статьи вышли почти одновременно, было совпадением. Но в совокупности эти работы вновь поднимают вопрос о физической загадке, которая, как считалось, была разгадана несколько десятилетий назад. Пересматривается фундаментальный вопрос: какие частицы допускает наш мир?
Скрытые миры
Все известные элементарные частицы относятся к одной из двух категорий, и эти две категории ведут себя почти как противоположности. Существуют частицы, из которых состоит материя, называемые фермионами, и частицы, передающие фундаментальные взаимодействия, называемые бозонами.
Отличительной особенностью фермионов является то, что при перестановке двух фермионов местами их квантовое состояние меняется на противоположное. Наличие этого ничтожного знака «минус» имеет огромное значение. Это означает, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же месте одновременно. Фермионы, находящиеся в непосредственной близости друг от друга, не могут быть сжаты сильнее определённого предела. Эта особенность не даёт материи схлопнуться — именно поэтому электроны в каждом атоме существуют на «оболочках». Без этого минуса мы бы не существовали.
У бозонов нет такого ограничения. Группы бозонов с радостью делают одно и то же. Например, любое количество частиц света может находиться в одном и том же месте. Именно это позволяет создавать лазеры, которые испускают множество одинаковых частиц света. Эта способность обусловлена тем, что при обмене местами двух бозонов их квантовое состояние остаётся прежним.
Не очевидно, что фермионы и бозоны должны быть единственными возможными вариантами.
Отчасти это связано с фундаментальной особенностью квантовой теории: чтобы вычислить вероятность измерения частицы в каком-либо конкретном состоянии, нужно взять математическое описание этого состояния и умножить его на само себя. Эта процедура может привести к стиранию различий. Например, исчезнет знак «минус». Если дано число 4, то Jeopardy! Участник конкурса не мог бы определить, о чём идёт речь: «Чему равно 2 в квадрате?» или «Чему равно отрицательное 2 в квадрате?» — оба варианта математически корректны.
Именно из-за этой особенности фермионы, несмотря на то, что при перестановке местами они получают знак «минус», при измерении выглядят одинаково — знак «минус» исчезает при возведении квантовых состояний в квадрат. Эта неразличимость является важнейшим свойством элементарных частиц: ни один эксперимент не может отличить две одинаковые частицы друг от друга.
Но знак «минус» может быть не единственным исчезающим элементом. Теоретически у квантовых частиц могут быть скрытые внутренние состояния, математические структуры, не наблюдаемые при прямых измерениях, которые также исчезают при возведении в квадрат. Третья, более общая категория частиц, известная как парачастица, может возникать в результате изменения этого внутреннего состояния множеством способов при обмене частицами местами.
Хотя квантовая теория, по-видимому, допускает существование таких частиц, физики столкнулись с трудностями при поиске математического описания парачастицы. В 1950-х годах физик Герберт Грин предпринял несколько попыток, но дальнейшие исследования показали, что эти модели парачастиц на самом деле представляют собой математические комбинации обычных бозонов и фермионов.
В 1970-х годах загадка, почему никто не мог найти подходящую модель для парачастиц, казалось, была разгадана. Ряд теорем, названных теорией DHR в честь математиков-физиков Серджио Доплихера, Рудольфа Хаага и Джона Робертса, доказал, что при соблюдении определённых условий физически возможны только бозоны и фермионы. Одно из условий — «локальность», то есть правило, согласно которому на объекты могут влиять только те, что находятся поблизости. («Если я ударю по столу, то лучше не воздействовать мгновенно на Луну», — как выразился Хаззард.) Доказательство DHR также предполагает, что пространство (как минимум) трёхмерно.
Результаты исследований на десятилетия отбили у учёных желание изучать парачастицы, за одним исключением. В начале 1980-х физик Фрэнк Вильчек выдвинул теорию частиц называемых айонами, которые нельзя описать ни как бозоны, ни как фермионы. Чтобы обойти теоремы Дирака — Хинчина — Рубина, айоны должны были обладать важным свойством: они могли существовать только в двух измерениях.
Физики сейчас активно изучают энионы на предмет их потенциала в квантовых вычислениях. Даже в двухмерном пространстве они могут проявляться на плоской поверхности материала или в двумерном массиве кубитов в квантовом компьютере.
Но парачастицы в трёх измерениях, которые могли бы образовывать твёрдое тело, по-прежнему казались невозможными. Так было до недавнего времени.
Меняющиеся взгляды
Разрабатывая свою модель, Ванг и Хаззард заметили, что предположения, лежащие в основе теории DHR, выходят за рамки типичных соображений о локальности. «Я думаю, что люди неверно истолковали ограничения, налагаемые этими теоремами», — сказал Хаззард. Они поняли, что парачастицы всё-таки могут существовать теоретически.
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 исчезает при измерении, эти скрытые свойства нельзя измерить напрямую, но они влияют на поведение частиц.
Когда вы меняете местами две парачастицы, эти скрытые свойства меняются одновременно. Для наглядности представьте, что эти свойства — цвета. Начнём с двух парачастиц: одна из них внутри красная, а другая — синяя. Когда они меняются местами, вместо того чтобы сохранить эти цвета, они оба меняются соответствующим образом, как предписывает математика конкретной модели. Возможно, после обмена они станут зелёными и жёлтыми. Это быстро превращается в сложную игру, в которой парачастицы влияют друг на друга невидимыми способами при перемещении.
Тем временем Мюллер тоже был занят переосмыслением теорем DHR. «Не всегда понятно, что они означают, потому что они сформулированы в очень сложной математической форме», — сказал он.
Его команда применила новый подход к вопросу о парачастицах. Исследователи учли тот факт, что квантовые системы могут существовать сразу в нескольких возможных состояниях — это называется суперпозицией. Они представили, как переключаются между точками зрения наблюдателей, которые существуют в этих суперпозиционных состояниях и каждый из которых описывает свою ветвь реальности немного по-своему. Они предположили, что если две частицы действительно неразличимы, то не имеет значения, поменялись ли они местами в одной ветви суперпозиции или нет.
«Возможно, если частицы находятся близко друг к другу, я меняю их местами, но если они далеко друг от друга, я ничего не делаю, — сказал Мюллер. — А если они находятся в суперпозиции обоих состояний, то я меняю их местами в одной ветви и ничего не делаю в другой». Неважно, одинаково ли наблюдатели в разных ветвях маркируют две частицы.
Это более строгое определение неразличимости в контексте суперпозиций накладывает новые ограничения на типы частиц, которые могут существовать. При соблюдении этих условий, как выяснили исследователи, парачастицы невозможны. Чтобы частица была действительно неразличима при измерении, как и должны быть неразличимы элементарные частицы, она должна быть либо бозоном, либо фермионом.
Хотя Ванг и Хаззард опубликовали свою статью первыми, похоже, что они предвидели ограничения Мюллера. Их парачастицы возможны, потому что их модель отвергает исходное предположение Мюллера: частицы не являются неразличимыми в полном смысле этого слова, необходимом в контексте квантовых суперпозиций. Из этого следует кое-что ещё. Хотя перестановка двух парачастиц не влияет на измерения одного человека, два наблюдателя, обменявшись данными, могут определить, были ли парачастицы переставлены. Это связано с тем, что замена парачастиц может изменить соотношение измерений у двух людей. В этом смысле они могли бы отличить эти две парачастицы друг от друга.
Это означает, что существует потенциал для появления новых состояний материи. В то время как бозоны могут объединять бесконечное количество частиц в одном состоянии, а фермионы вообще не могут находиться в одном состоянии, парачастицы занимают промежуточное положение. Они могут объединять в одном состоянии всего несколько частиц, прежде чем оно станет слишком тесным и вынудит другие частицы перейти в новые состояния. Точное количество частиц, которые могут находиться в одном состоянии, зависит от особенностей парачастицы — теоретическая база допускает бесконечное количество вариантов.
«Я нахожу их работу действительно увлекательной, и она совершенно не противоречит тому, чем занимаемся мы», — сказал Мюллер.
Дорога к реальности
Если парачастицы существуют, то, скорее всего, это эмерджентные частицы, называемые квазичастицами, которые проявляются в виде энергетических колебаний в определённых квантовых материалах.
«Возможно, мы получим новые модели экзотических фаз, которые раньше было сложно понять, но теперь их можно легко описать с помощью парачастиц», — сказал Мэн Чэн, физик из Йельского университета, не принимавший участия в исследовании.
Брайс Гэдуэй, физик-экспериментатор из Университета штата Пенсильвания, который иногда сотрудничает с Хаззардом, с оптимизмом смотрит на то, что в ближайшие несколько лет в лаборатории удастся создать парачастицы. В этих экспериментах будут использоваться ридберговские атомы — атомы с заряженными электронами, которые находятся очень далеко от ядра. Такое разделение положительного и отрицательного зарядов делает ридберговские атомы особенно чувствительными к электрическим полям. Из взаимодействующих ридберговских атомов можно создать квантовые компьютеры. Они также являются идеальными кандидатами для создания парачастиц.
«Для определённого типа квантового ридберговского симулятора это вполне естественно, — сказал Гэдуэй о создании парачастиц. — Вы просто подготавливаете их и наблюдаете за их эволюцией».
Но пока что третье царство частиц остаётся полностью теоретическим.
«Парачастицы могут стать важным открытием, — сказал Вильчек, лауреат Нобелевской премии физик и изобретатель энионов. — Но в настоящее время они представляют собой в основном теоретический интерес».
Доисторический фуршет: 11 000 лет назад на вечеринки таскали целых кабанов!
