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存在的最小物質組分，包括電子、中子等。現代物理學的奠基石——物理標準模型從本質上說就是一個粒子家族的“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。當然，這也是可以理解的，因為這些“準粒子”并非真實存在，但它們的獨特物理性質卻足以變革現代科技。英國《新科學家》雜志在近日的報道中，為我們列出了5種“并不存在”卻能改變世界面貌的準粒子。

聲子：電動牛仔

2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）發現了希格斯玻色子，它是其他粒子的質量來源。至此，62種基本粒子已經全部被發現，但如果沒有聲子（phonon），這一切不可能發生。

聲子的概念是在研究晶格振動過程中發展起來的。聲子這一名稱由前蘇聯物理學家伊戈爾·塔姆于1932年首次提出。他指出，正如光和電子對應一樣，可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯系起來。在固體中，尤其是在半導體和絕緣體中，“熱”通過晶格振動來傳導，也就是說，“聲子”是熱的載體。

在常溫下，聲子是準粒子，固體材料的熱傳導主要由聲子來實現。但在極低溫度下，這些準粒子“化身”為一群“牛仔”，驅趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動整齊劃一，活動時電阻幾乎為零，這便是低溫超導的原理。

磁振子：自旋之王

自從塔姆提出“聲子”概念后，科學家們逐步在固體內部發現了很多這樣的準粒子。另一個此類粒子源于自旋，這一量子屬性是磁學的基礎。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；當物質內的所有自旋對齊時，就出現了一個磁場。但當這種自旋狀態不斷翻轉時，就造出了一種波效應，科學家們將這種效應稱為“磁振子（magnon）”。

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

激子：植物的秘密武器

在任何物質中，電子以不同的能級存在。當一個光子照射到物體表面時，它會將電子激發到更高能級，留下一個空穴。電子帶負電，空穴帶正電，它們之間的庫侖吸引作用，在一定條件下會讓它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復合體被稱為激子（excitons）。

植物的葉片中含有捕光蛋白，捕光蛋白內的電子吸收光子獲得能量會被激發，離開自己的位置，留下一個空穴，電子—空穴對形成的激子，會在植物的光合作用生產線上四處飄蕩。當激子到達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。

馬約拉納費米子：量子英雄

普通計算機內的信息存儲在“比特（bit）”內，每一比特都被編碼成0或1；量子計算機內的信息比特可同時以0和1存在，但這種疊加狀態非常脆弱。為此，物理學家們一直在尋找使量子比特更穩定的方法。

上世紀30年代，意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納預言，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，它沒有質量，不帶電，是自己的反粒子，且總是成雙成對出現。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質，呈電中性，很少與環境相互作用，因此成為一種理想的量子信息編碼載體。

外爾費米子：雙面嬌娃

“外爾費米子（Weylfermions）”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國科學家外爾（H.Weyl）提出：存在一種無“質量”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“外爾費米子”。

外爾費米子具有兩個關鍵特性：無質量而有手性。沒有質量意味著，它可以高速移動，同時它對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運算能力的計算機的基礎。

（鄧佳琪薦自《科技日報》）

責編：我不是雨果