物理學被改寫，科學家發現了第三類粒子——任意子！

△ 標準模型中的基本粒子

從宇宙線到夸克，宇宙中的所有粒子都可以歸於兩大類，分別是

費米子

和

玻色子

，自旋為半奇數（1/2，3/2…）的粒子稱為費米子，服從費米 -狄拉克統計；自旋為0或正整數的粒子稱為玻色子，服從玻色-愛因斯坦統計 。

根據不相容原理，在任何量子系統中，

兩個費米子無法佔據同一個量子態

。試想一下，取一個原子核，並開始加入電子進去，第一個電子會傾向於佔據基態（即最低能量的狀態）。由於它是一個自旋=1/2的粒子，電子的自旋態可以是+1/2或-1/2。如果新增第二個電子，它仍然會佔據基態但具有相反的自旋態。但如果加入更多的電子會發生什麼？它們不會進入基態，而是填滿下一個能級。

玻色子卻可以同時共享同一個量子態。這允許產生一種特別的物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚。將玻色子冷卻到非常低的溫度，它們就會全部聚集到能量最低的量子態。當氦（由偶數個費米子組成，因此表現的像一個玻色子）被冷卻到足夠低溫下就會形成超流體，這是玻色-愛因斯坦凝聚的一個結果。

△ 費米子喜歡獨來獨往，單獨住在一個房間，而玻色子則喜歡共享一個房間。

最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文中，研究人員發現了第三個粒子王國的首個成員——

任意字

。物理學家首次獲得了實驗證據，證明任意子不能被歸類進另兩個粒子王國中。它既不像費米子也不像玻色子，而處在一種中間態。

理論猜想

如果一個量子粒子繞著另一個量子粒子轉，而沒有回到相同的量子狀態，會發生什麼呢？

為了理解這種可能性，我們需要對拓撲學，即對形狀的數學研究做一個簡短的討論。如果兩個形狀中，一個可以轉換成另一個，而不需要任何切割或粘合，那麼兩個形狀在拓撲上是等價的。一個甜甜圈和一隻咖啡杯，因為在抽象形狀上類似，所以我們認為它們在拓樸學上等價。

現在想象一下，一個粒子繞著一個粒子旋轉時的軌跡。在三維空間中，我們可以將這個軌跡一直縮小，直到縮小到某個點。從拓撲學上講，好像粒子根本沒有移動過。

但是，在二維空間中，這個軌跡不能收縮。因為這個軌跡內部包含了另一個粒子。在這個過程中，不切斷軌跡就不能繼續收縮。因為二維空間的這一限制，一個粒子繞著另一個粒子旋轉與將粒子留在同一個位置是不一樣的。

下面這幅圖可以幫助我們理解：

想象一個繞另一個粒子轉動的粒子。在三維中，這個繞轉的粒子可以收縮到一個點，在拓撲學上等價於這個粒子沒有進行過繞轉。這在數學描述（或波函式）上被高度約束。然而在二維中，這個繞轉軌跡不能被收縮到一個點，所以這個粒子是不被約束的。因此“什麼事情都可能發生”，這個二維粒子被稱作任意子。

任意子的波函式不侷限在定義了費米子和玻色子的兩個解上，因此這些粒子既不屬於這兩個解，也不屬於這兩個解之間的任何東西。

實驗驗證

2016年，三位物理學家描述了一個實驗裝置，該裝置在二維上類似一個微型粒子對撞機。費夫和同事以此為基礎製造了類似的儀器，並用這個儀器進行任意子對撞實驗。透過測量對撞機中電流的波動，他們就能夠證明任意子的行為與理論預測是否一致。

利用這個裝置，研究人員主要就是想觀測兩個不可區分的粒子之間的碰撞所產生的結果。如果在這個裝置中發生碰撞的是費米子，那麼這些粒子在碰撞之後就會分道揚鑣，沿著不同的路徑離開；如果發生碰撞的是玻色子，它們就會以聚集在一起的形式在同一出口處出現。

從微型對撞機（如彩色掃描電子顯微鏡影象所示）獲得的任意子存在的證據。任意子沿著由電極（黃色）決定的路徑移動。兩個任意子（藍色球體）在中心處碰撞，從兩邊退出。圖片來源：Manohar Kumar

而在對撞實驗中，任意子沒有表現出上面兩種結果，出口處的任意子沒有完全分離，但是又不是完全聚集，聚集程度遠小於玻色子。因此，這也是首次用實驗證明了任意子存在。

任意子不能在三維空間出現，只能在二維空間出現。其行為服從介於玻色統計和費米統計之間的新的分數統計。由這類奇異粒子構成的物理系統，其波函式在兩粒子座標交換的情況下不體現對稱或反對稱性，而是獲得一個任意的相位因子。

應用價值

科學家表示，使用任意子製成的拓撲量子計算機可解決量子計算機中的穩定性問題。這種計算機使用準粒子作為線，使用辮理論來設計穩定的邏輯閘。