Математики «сломали» квантовую физику? Предсказано существование частиц, считавшихся невозможными

В мире квантовой механики, где реальность кажется причудливой и не подчиняющейся обыденной логике, существует убеждение, что частицы делятся на два основных типа: фермионы и бозоны. Однако, словно притаившаяся занавеска, существует и третье, куда менее известное царство — мир парачастиц. Да, вы не ослышались. Но обо всем по порядку.

Традиционная дихотомия: Фермионы и бозоны

Начнём с основ. Согласно стандартным учебникам, квантовый мир населён двумя типами частиц, чьи характеристики определяются их поведением при обмене:

• Фермионы — это «одиночки», не терпящие конкуренции. Если вы попытаетесь «посадить» двух фермионов на одно и то же квантовое место, то они категорически воспротивятся. К фермионам относятся такие частицы, как электроны, протоны и нейтроны — то есть, «строительный материал» нашего мира.

• Бозоны, наоборот, — «компанейские» ребята. Они не против разделить одно и то же квантовое состояние с себе подобными. Это, к примеру, фотоны (частицы света) или бозоны Хиггса.

Такое разделение не просто теоретическое построение, оно лежит в основе многих явлений, которые мы наблюдаем вокруг. Однако всегда ли такая бинарная картина отражает всю полноту физической реальности?

Привет, парачастицы!

Утверждение о строгой дихотомии фермионов и бозонов, оказывается, не совсем верно. Как минимум, есть два важных исключения. Первое — это а́нионы, частицы, существующие только в двумерном пространстве и имеющие экзотические свойства. Второе, как было принято считать до недавнего времени, — парастатистика, концепция, которая позволяла существовать частицам, поведение которых при обмене отличалось от фермионов и бозонов. Правда, считалось, что в конечном итоге все парачастицы ведут себя как те же фермионы или бозоны, что и не позволяло им претендовать на звание полноценных, отдельных типов частиц.

И вот тут на сцену выходят парачастицы в новой интерпретации. В недавней работе, опубликованной в журнале Nature, группа физиков представила теорию, в которой парастатистика может порождать нетривиальные и физически наблюдаемые следствия. Это означает, что, возможно, существует целый класс частиц, не вписывающихся в привычную схему фермионов и бозонов!

Как парачастицы избегают традиционных ограничений?

И в чём же состоит их «фокус»? Дело в том, что при обмене местами двух частиц, волновая функция, описывающая их квантовое состояние, обычно может измениться лишь на некий множитель. Для фермионов этот множитель равен -1, а для бозонов +1.

Однако, как показали исследователи, волновая функция парачастиц может не только изменяться на некий множитель, но и подвергаться матричному преобразованию. Это открывает дверь для новых типов квантовых состояний, не характерных для фермионов или бозонов.

Как такое возможно? Дело в том, что при описании парачастиц вводится дополнительный набор «внутренних» индексов, недоступных для локальных измерений. Это похоже на невидимые «метки», которые парачастицы несут в себе и которые изменяются при обмене местами. Именно наличие этих «меток» позволяет им избегать ограничений, накладываемых на фермионы и бозоны.

Математика парачастиц: Открытие нового квантового мира

Новые парачастицы подчиняются так называемым обобщённым принципам исключения, что влечёт за собой необычную термодинамику, отличную от поведения свободных фермионов и бозонов. Для описания таких частиц был разработан формализм вторичного квантования, который естественным образом включает решения для невзаимодействующих парачастиц и сохраняет важные физические ограничения, такие как локальность (то есть, воздействие на один объект не может мгновенно повлиять на другой, удалённый от него объект).

На основе этого формализма была построена семья точно решаемых квантовых спиновых моделей в одном и двух измерениях. Эти модели демонстрируют, что парачастицы могут выступать в роли квазичастиц — коллективных возбуждений системы, поведение которых, в свою очередь, может быть обнаружено экспериментально.

Что это меняет?

И, пожалуй, главный вопрос — что всё это значит для нас? Во-первых, результаты этого исследования бросают вызов нашей устоявшейся картине мира. Мы стоим на пороге новой, еще не исследованной области физики, в которой традиционные представления о квантовой статистике, возможно, требуют переосмысления.

Во-вторых, обнаружение парачастиц открывает новые возможности в области физики конденсированного состояния, где они могут играть роль в экзотических квантовых фазах, а также, возможно, могут быть использованы для создания новых квантовых технологий. В-третьих, как и предсказывают авторы исследования, новые парачастицы могут оказаться «недостающим звеном» в наших представлениях об элементарных частицах, которые формируют наш мир, подталкивая нас к поиску новых элементарных строительных блоков материи.

Таким образом, открытие нетривиальных парачастиц не просто академический интерес, а скорее — многообещающий намек на то, что за горизонтом наших сегодняшних знаний о квантовом мире, возможно, скрываются новые, еще более удивительные открытия.