Вселенная кажется нам устроенной удивительно просто: всё сущее состоит из частиц, которые делятся на две большие группы — фермионы (материя) и бозоны (переносчики сил). Однако физика допускает существование «третьего пути» — энионов, которые не вписываются в эту дихотомию и могут обладать свойствами, ранее считавшимися невозможными.
🌌 Две стороны квантовой медали: Фермионы и Бозоны 0:00
Традиционно все частицы во Вселенной распределены по двум «лагерям» :
- Фермионы (например, протоны и электроны) составляют то, что мы называем материей. Их главная особенность — неспособность находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно. Если два электрона с одинаковым спином сближаются, возникает «квантовое давление вырождения» . По словам ведущего PBS Space Time, именно благодаря этому давлению мы не проваливаемся сквозь пол.
- Бозоны (например, фотоны и глюоны) передают фундаментальные взаимодействия. В отличие от фермионов, они могут накапливаться в одном состоянии в неограниченном количестве. Именно это свойство позволяет существовать лазерным лучам и позволяет свету проходить сквозь свет .
Связь между поведением частиц и их внутренними свойствами была окончательно сформулирована Вольфгангом Паули в 1940 году в рамках теоремы о связи спина со статистикой . Согласно Паули:
- Фермионы имеют антисимметричную симметрию обмена и полуцелый спин (1/2, 3/2 и т.д.) .
- Бозоны имеют симметричную симметрию обмена и целый спин (0, 1, 2 и т.д.) .
🧩 Проблема «маркировки» электронов 3:08
Стандартное объяснение различий между частицами строится на концепции их «перестановки» местами. Однако, как отмечает ведущий PBS Space Time, в квантовом мире идея смены мест частицами довольно амбициозна, поскольку из-за принципа неопределенности мы не можем точно отследить траекторию каждого электрона . Если две идентичные частицы сближаются и разлетаются, невозможно понять: прошли они «сквозь» друг друга или просто оттолкнулись .
В 1977 году физики Джон Магна Лейнаас и Ян Мюрхейм предложили новый способ классификации частиц, который не требовал «приклеивания ярлыков» к электронам . Вместо того чтобы следить за частицами в обычном пространстве, они предложили использовать «конфигурационное пространство».
📐 Конфигурационное пространство: Мир 1D и 2D 4:12
Представим одномерную Вселенную — прямую линию. Каждая точка в конфигурационном пространстве для двух частиц представляет собой их взаимное расположение .
- Если мы уберем из этого пространства дубликаты (поскольку не знаем, какая частица первая, а какая вторая), то обнаружим «границу», при достижении которой частицы максимально сближаются .
- При «отскоке» от этой воображаемой границы волновая функция системы претерпевает фазовый сдвиг .
- У фермионов этот сдвиг равен $\pi$ (умножение на -1), что создает антисимметрию. У бозонов сдвиг равен нулю .
Лейнаас и Мюрхейм обнаружили нечто пугающее: математически ничто не мешает фазовому сдвигу быть любым числом, не только 0 или $\pi$ . Частицы с произвольным фазовым сдвигом (и, следовательно, произвольным спином) получили название энионы (anyons) .
В двумерном пространстве конфигурационное пространство можно представить в виде конуса . Движение вокруг этого конуса означает, что частицы «обошли» друг друга. В 2D-мире фазовый сдвиг при таком движении может быть абсолютно любым, что делает существование энионов теоретически возможным .
🚫 Почему наш 3D-мир запрещает энионы? 13:02
В нашей Вселенной три пространственных измерения, и это накладывает жесткие ограничения. Если мы ограничим движение частиц плоскостью в 3D-пространстве, у нас появится возможность сменить точку обзора, посмотрев на эту плоскость «сзади» .
Как утверждает ведущий, вращение точки обзора на 180 градусов превращает движение по часовой стрелке в движение против часовой стрелки . В квантовой механике это приводит к математическому противоречию, если только фазовый сдвиг не является кратным $\pi$.
- Четные множители $\pi$ (0, 2, 4...) дают бозоны .
- Нечетные множители $\pi$ (1, 3, 5...) дают фермионы .
Любой другой сдвиг в трехмерном мире, по словам автора, «ломает Вселенную», поэтому в нашем макромире мы видим только два типа частиц . Энионы могут существовать только там, где невозможно сменить ориентацию наблюдателя — в одномерных или двумерных системах.
🔬 Энионы в лаборатории: От теории к реальности 17:51
Хотя природа ограничила нас фермионами и бозонами, физики научились создавать условия, в которых частицы ведут себя как энионы. В 2023 году команда ученых во Франции провела знаковый эксперимент :
- Они использовали специальные сплавы, между которыми электроны оказывались заперты в двухмерном слое.
- Применив магнитные поля, исследователи изменили эффективный спин этих частиц .
- Анализ столкновений этих квазичастиц подтвердил, что они обладают спином 1/3, что невозможно для обычных электронов (спин 1/2) .
💻 Будущее: Квантовые компьютеры на энионах 18:43
Энионы — это не просто теоретическая диковинка. Они могут стать основой для нового поколения квантовых компьютеров.
- В обычных квантовых системах вероятность может течь только в двух направлениях, но энионы позволяют потоку вероятности быть гораздо сложнее .
- Использование энионов позволит создавать алгоритмы, более устойчивые к квантовому шуму и ошибкам .
Ведущий подчеркивает, что хотя мы всё еще в годах пути от создания таких компьютеров, человечество уже научилось «поднимать» странные сущности из нижних измерений в наше пространство-время. Природа дала нам только два типа кирпичиков, но, заглянув в глубины квантовой вероятности, мы обнаружили бесконечное множество новых инструментов .
