# PBS Space Time: «Энионы — частицы, которые не являются ни материей, ни силой»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=26ZmKqLNSZ8
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 27.06.2024

---

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
[[JUMP:00:00]]

Традиционно все частицы во Вселенной распределены по двум «лагерям» [00:13]:

*   **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» [01:11]. 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 [01:23].

Связь между поведением частиц и их внутренними свойствами была окончательно сформулирована Вольфгангом Паули в 1940 году в рамках теоремы о связи спина со статистикой [02:42]. Согласно Паули:

1.  Фермионы имеют антисимметричную симметрию обмена и полуцелый спин (1/2, 3/2 и т.д.) [02:55].
2.  Бозоны имеют симметричную симметрию обмена и целый спин (0, 1, 2 и т.д.) [03:00].

## 🧩 Проблема «маркировки» электронов
[[JUMP:03:08]]

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 [03:33]. Если две идентичные частицы сближаются и разлетаются, невозможно понять: прошли они «сквозь» друг друга или просто оттолкнулись [03:47].

В 1977 году физики Джон Магна Лейнаас и Ян Мюрхейм предложили новый способ классификации частиц, который не требовал «приклеивания ярлыков» к электронам [04:00]. Вместо того чтобы следить за частицами в обычном пространстве, они предложили использовать «конфигурационное пространство».

## 📐 Конфигурационное пространство: Мир 1D и 2D
[[JUMP:04:12]]

Представим одномерную Вселенную — прямую линию. Каждая точка в конфигурационном пространстве для двух частиц представляет собой их взаимное расположение [04:39].

*   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 [05:29].
*   При «отскоке» от этой воображаемой границы волновая функция системы претерпевает фазовый сдвиг [06:50].
*   У фермионов этот сдвиг равен $\pi$ (умножение на -1), что создает антисимметрию. У бозонов сдвиг равен нулю [08:07].

Лейнаас и Мюрхейм обнаружили нечто пугающее: математически ничто не мешает фазовому сдвигу быть *любым* числом, не только 0 или $\pi$ [09:15]. Частицы с произвольным фазовым сдвигом (и, следовательно, произвольным спином) получили название **энионы** (anyons) [09:40].

В двумерном пространстве конфигурационное пространство можно представить в виде конуса [12:03]. 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 [12:59].

## 🚫 Почему наш 3D-мир запрещает энионы?
[[JUMP: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» [14:41].

Как утверждает ведущий, вращение точки обзора на 180 градусов превращает движение по часовой стрелке в движение против часовой стрелки [14:53]. В квантовой механике это приводит к математическому противоречию, если только фазовый сдвиг не является кратным $\pi$.

*   Четные множители $\pi$ (0, 2, 4...) дают бозоны [16:44].
*   Нечетные множители $\pi$ (1, 3, 5...) дают фермионы [16:59].

Любой другой сдвиг в трехмерном мире, по словам автора, «ломает Вселенную», поэтому в нашем макромире мы видим только два типа частиц [17:24]. Энионы могут существовать только там, где невозможно сменить ориентацию наблюдателя — в одномерных или двумерных системах.

## 🔬 Энионы в лаборатории: От теории к реальности
[[JUMP: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 [18:05]:

1.  Они использовали специальные сплавы, между которыми электроны оказывались заперты в двухмерном слое.
2.  Применив магнитные поля, исследователи изменили эффективный спин этих частиц [18:19].
3.  Анализ столкновений этих квазичастиц подтвердил, что они обладают спином 1/3, что невозможно для обычных электронов (спин 1/2) [18:31].

## 💻 Будущее: Квантовые компьютеры на энионах
[[JUMP: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 [18:43].
*   Использование энионов позволит создавать алгоритмы, более устойчивые к квантовому шуму и ошибкам [18:57].

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 [19:24].