五種“并不存在”卻能改變世界的粒子

劉霞

粒子指能以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分，包括電子、中子等?，F(xiàn)代物理學(xué)的奠基石——物理標(biāo)準(zhǔn)模型從本質(zhì)上說就是一個(gè)粒子家族的“家譜”，其成員大家耳熟能詳。但還有一類同樣重要的粒子卻乏人問津。當(dāng)然，這也是可以理解的，因?yàn)檫@些“準(zhǔn)粒子”并非真實(shí)存在，但它們的獨(dú)特物理性質(zhì)卻足以變革現(xiàn)代科技。英國《新科學(xué)家》雜志在近日的報(bào)道中，為我們列出了5種“并不存在”卻能改變世界面貌的準(zhǔn)粒子。

聲子：電動(dòng)牛仔

2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，它是其他粒子的質(zhì)量來源。至此，62種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn)，但如果沒有聲子（phonon），這一切不可能發(fā)生。

聲子的概念是在研究晶格振動(dòng)過程中發(fā)展起來的。聲子這一名稱由前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈?duì)枴に酚?932年首次提出。他指出，正如光和電子對(duì)應(yīng)一樣，可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯(lián)系起來。在固體中，尤其是在半導(dǎo)體和絕緣體中，“熱”通過晶格振動(dòng)來傳導(dǎo)，也就是說，“聲子”是熱的載體。

在常溫下，聲子是準(zhǔn)粒子，固體材料的熱傳導(dǎo)主要由聲子來實(shí)現(xiàn)。但在極低溫度下，這些準(zhǔn)粒子“化身”為一群“牛仔”，驅(qū)趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動(dòng)整齊劃一，活動(dòng)時(shí)電阻幾乎為零，這便是低溫超導(dǎo)的原理。

磁振子：自旋之王

自從塔姆提出“聲子”概念后，科學(xué)家們逐步在固體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了很多這樣的準(zhǔn)粒子。另一個(gè)此類粒子源于自旋，這一量子屬性是磁學(xué)的基礎(chǔ)。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的所有自旋對(duì)齊時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)磁場(chǎng)。但當(dāng)這種自旋狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)時(shí)，就造出了一種波效應(yīng)，科學(xué)家們將這種效應(yīng)稱為“磁振子（magnon）”。

普通電腦和智能手機(jī)存儲(chǔ)信息需要電力，設(shè)備斷電信息則無從獲取。如果用了磁振子，信息存儲(chǔ)將完全依靠磁場(chǎng)，無需電力，這就是所謂的自旋電子學(xué)（Spintronics）。

激子：植物的秘密武器

在任何物質(zhì)中，電子以不同的能級(jí)存在。當(dāng)一個(gè)光子照射到物體表面時(shí)，它會(huì)將電子激發(fā)到更高能級(jí)，留下一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電，它們之間的庫侖吸引作用，在一定條件下會(huì)讓它們?cè)诳臻g上束縛在一起，這樣形成的復(fù)合體被稱為激子（excitons）。

植物的葉片中含有捕光蛋白，捕光蛋白內(nèi)的電子吸收光子獲得能量會(huì)被激發(fā)，離開自己的位置，留下一個(gè)空穴，電子—空穴對(duì)形成的激子，會(huì)在植物的光合作用生產(chǎn)線上四處飄蕩。當(dāng)激子到達(dá)需要它們的特定位置，電子跟空穴重組并釋放出能量，植物利用這些能量將水分解為氫和氧氣，這一光合作用是地球生命的根源。

馬約拉納費(fèi)米子：量子英雄

普通計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息存儲(chǔ)在“比特（bit）”內(nèi)，每一比特都被編碼成0或1；量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息比特可同時(shí)以0和1存在，但這種疊加狀態(tài)非常脆弱。為此，物理學(xué)家們一直在尋找使量子比特更穩(wěn)定的方法。

上世紀(jì)30年代，意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，肯定有一種粒子，它和它的反粒子是一樣的。“馬約拉納粒子”的概念誕生了，它沒有質(zhì)量，不帶電，是自己的反粒子，且總是成雙成對(duì)出現(xiàn)。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質(zhì)，呈電中性，很少與環(huán)境相互作用，因此成為一種理想的量子信息編碼載體。

外爾費(fèi)米子：雙面嬌娃

“外爾費(fèi)米子（Weylfermions）”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國科學(xué)家外爾（H.Weyl）提出：存在一種無“質(zhì)量”的可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”的電子，這種電子被稱為“外爾費(fèi)米子”。

外爾費(fèi)米子具有兩個(gè)關(guān)鍵特性：無質(zhì)量而有手性。沒有質(zhì)量意味著，它可以高速移動(dòng)，同時(shí)它對(duì)與其手性不符的干擾具有極高的抵抗力，這就使它很難散射：兩束不同類型的外爾費(fèi)米子流可以靠得很近卻不相互作用。有人提出，這些屬性使它可以成為超越自旋電子學(xué)運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

（鄧佳琪薦自《科技日?qǐng)?bào)》）

責(zé)編：我不是雨果