Недавнее научное открытие покорило физическое сообщество: исследователи предположили существование нового класса квантовых частиц, называемых «парачастицами». Хотя это может показаться научной фантастикой, данное предложение может произвести революцию в нашем понимании Вселенной. Но почему это открытие так революционно? И как оно может изменить наше представление о фундаментальных законах физики?
В 2021 году Чжиюань Ванг, аспирант Университета Райса, работал над сложной математической задачей, по итогам чего пришёл к выводу, что решение описывает частицу, которая не соответствует ни фермионам, ни бозонам. Это было нечто совершенно новое. После этого он начал размышлять над проблемой глубже и поделился своим открытием со своим коллегой Каденом Хаззардом. Вместе они разработали теорию, основанную на том, что они назвали парачастицами. Эти частицы будут обладать особыми математическими свойствами, отличающими их от фермионов и бозонов, а также от всего того, что мы знаем сегодня в мире элементарных частиц. Их работа, опубликованная в журнале Nature в январе этого года, всколыхнула научное сообщество и возродила старые дебаты о природе частиц и законах, управляющих нашей Вселенной.
Прежде чем углубиться в идею парачастиц, важно понять две классические категории, на которые были разделены все известные на сегодняшний день частицы. Фермионы, к которым относятся электроны, протоны и нейтроны, — это строительные блоки материи. Что делает фермионы особенно увлекательными, так это их принцип исключения. Проще говоря, этот принцип гласит, что два фермиона никогда не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Именно это явление позволяет материи существовать в ее нынешнем виде. Например, электроны в атоме не могут занимать одну и ту же орбиталь и должны быть распределены в разных слоях вокруг ядра.
С другой стороны, бозоны — это частицы, передающие фундаментальные силы Вселенной, такие как фотон для электромагнетизма или глюон для сильного ядерного взаимодействия. От фермионов бозоны отличает то, что они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Другими словами, несколько бозонов могут сосуществовать в одном и том же месте, как в лазере, где множество светящихся частиц синхронизированы.
В своей статье Ванг и Хаззард предполагают, что существует третья категория частиц, парачастицы, которые не подчиняются правилам фермионов или бозонов. Предполагается, что эти частицы обладают скрытым внутренним свойством, которое изменяет их поведение при обмене позициями. Чтобы лучше понять это, представьте, что у этих парачастиц есть некий невидимый внутренний «цвет». Когда они обмениваются позициями с другой парачастицей, этот цвет меняется особым образом, создавая уникальное поведение, которое невозможно наблюдать ни у фермионов, ни у бозонов.
Концепция парачастиц кажется возможной благодаря математической характеристике квантовых частиц. Когда одна частица взаимодействует с другой, математический знак ее свойств может меняться, но частицы остаются неразличимыми. Ванг и Хаззард предполагают, что эти скрытые свойства парачастиц становятся видимыми только при их взаимодействии с другими частицами. Другими словами, обмен положением между двумя парачастицами не оставляет никаких видимых следов, но их внутренние свойства изменяются тонким образом.
Парачастицы могут предложить новый взгляд на организацию материи и на то, как фундаментальные силы взаимодействуют в сложных системах. В настоящее время фермионы и бозоны подчиняются четко определенным правилам, но парачастицы могут проложить путь к экзотическим состояниям материи, которые раньше представлялись только физикам-теоретикам. Эти новые частицы могут позволить создавать материалы с доселе неизвестными свойствами.
Представьте себе материалы, способные действовать одновременно в нескольких масштабах, или структуры, которые могут быть использованы для новых технологий, таких как квантовые вычисления. Парачастицы, как частицы, способные разделять несколько состояний, сохраняя при этом некую индивидуальность, могут также предложить совершенно новый способ хранения и манипулирования информацией.
Хотя открытие парачастиц было опубликовано в престижном журнале, пока оно остается теоретическим. Пока нет прямых экспериментальных доказательств их существования. Однако такие исследователи, как Брайс Гэдвей из Университета штата Пенсильвания, с оптимизмом смотрят на возможность воспроизведения этой модели в лаборатории, в частности с помощью атомов Ридберга, которые очень чувствительны к электрическим полям и уже изучаются на предмет их потенциала в квантовых вычислениях. Парачастицы могут возникать в специальных квантовых материалах, особенно в средах, где квантовые свойства подвергаются испытаниям. Эти эксперименты могут привести к открытию новых типов материи или экзотических фаз вещества, открывая новые перспективы для теоретической и прикладной физики.