准粒子不同于通常所说的基本粒子,而是类似于基本粒子的物理实体,从大量基本粒子的相互作用中产生。不过,粒子和准粒子之间的界线正变得模糊,那些所谓的基本粒子可能同样是演生出来的,或许存在一个更大的框架将它们统一起来。
根据粒子物理学的标准模型,17种基本粒子组成了我们所在世界的一切物质。那么什么是准粒子呢?准粒子也是一种粒子,不过准粒子不属于基本粒子,而是从大量基本粒子的复杂相互作用中产生,表现得像是一个粒子一样。
物理学家可以将由大量粒子组成的固体、液体或等离子体,置于极端的温度和压强下,然后将整个系统描述为一些类似粒子的实体,也就是准粒子。准粒子可以相当稳定,并和基本粒子一样,具有诸如质量、电荷等固有性质。
固体中一种常见的准粒子是声子。在晶体中,原子规则排布形成三维晶格结构,它们彼此之间像是由弹簧连接起来一样,会发生集体振荡,携带着热量和声音在材料中传播。声子就是这种振荡模式对应的准粒子。在固体材料中,电子决定材料的导电性,声子则决定声音在材料中传播的速度。
再比如,朗道在1933年提出一种叫作极化子的准粒子。当电子在固体材料中运动时,会吸引周围的正电荷而排斥负电荷,导致原子偏离原来的平衡位置,以有效地屏蔽电子,这使得电子表现得更像是一个具有更大有效质量的准粒子,也就是极化子。
在凝聚态物理中,还有其他更为奇特的准粒子。例如,所有的基本粒子可以根据其自旋特性分为两种类型:一种是半整数自旋的费米子,比如电子,另一种是整数自旋的玻色子,比如光子。但一种叫做任意子的准粒子却可以超越这个限制,它们既不同于费米子,也不同于玻色子。
发现准粒子的过程就像是一项卓越的智力挑战。最近发现的准粒子包括π子、不可移动的分形子和扭曲的褶皱子等。牛津大学凝聚态理论物理学家Steve Simon说:“我们现在考虑的准粒子具有以前从未真正梦想过的特性。”
下面是一些最令人好奇,也可能最为有用的准粒子。
01 看不见的马约拉纳粒子
最早发现的准粒子之一是“空穴”,即在本应存在电子的地方没有电子。上世纪40年代,物理学家发现,固体内部的空穴会像带正电的粒子一样四处跳跃。而一种更为奇特、可能也非常有用的准粒子是马约拉纳费米子,理论上,马约拉纳粒子的反粒子就是其自身。但从粒子物理学的角度,至今仍未发现这种粒子,而在凝聚态物理中,它可以作为一种准粒子。
2010年,美国马里兰大学的物理学家Sankar Das Sarma与合作者认为,马约拉纳粒子可以用来制造量子计算机。当电子和空穴围绕着彼此移动时,它们就能存储信息,就像用两根绳子编织成图案一样。不同的拧绳子方法对应着0、1,以及0和1的叠加,它们是量子计算中的比特。
02 用电磁极化子模拟黑洞
准粒子家族不断壮大,它们所具有的一系列不同寻常的特征为物理学家提供了丰富的武器,甚至可以用来模拟黑洞这样的系统,帮助我们探索无法触及的物理。
旋转的电磁极化子流体可以用来模拟旋转的黑洞。左侧图片显示不同区域的流体密度,中间黑暗区域的边缘就像是黑洞的事件视界。右侧的流体相位图显示了它的涡流。
03 永不衰变的磁振子
如果准粒子可以衰变,它最终一定会衰变。例如,一种叫做磁振子的准粒子可以衰变成另外两个磁振子,只要这些生成粒子的能量不大于原来的磁振子。磁振子是晶格中电子自旋结构集体激发的准粒子,可以看作是量化的自旋波。它们自旋为1,服从玻色子的行为。
然而,一般准粒子相当稳定,这大概有两个原因:首先它们出现在温度非常低的系统中,所以一开始能量就很低;而且准粒子之间相互作用很弱,很少有扰动触发它们发生衰变。
研究结果表明,准粒子比人们曾经以为的要强大得多。粒子和准粒子之间的界线变得模糊。Verresen甚至认为,两者之间没有什么根本区别。
准粒子产生于许多粒子的组合。但我们所说的基本粒子,如夸克、光子和电子等,可能并不像想象的那么基本。一些物理学家怀疑,这些看似基本的粒子也同样是演生出来的——尽管没有人能确切指出,它们是从什么当中演生出来的。