@ 2019.06.19 , 11:00

量子系统中的准粒子:我是不朽的

没有什么东西可以天长地久。人类、行星、恒星、星系,甚至宇宙本身,都有终结之时。但量子领域里的事物并不总会遵守规则。现在,科学家发现,量子系统中的准粒子或许有资格说:我是不朽的。

不,它们也要经历衰变,知道这一点令人安心不少。但是如果准粒子发生了衰变,它们能够重新组织自身,因此也算拥有无限轮回的寿命。

听起来似乎是在向伟大的热力学第二定律挑衅——它断言孤立系统中的熵只能越来越大:我们都见过整片玻璃摔成碎渣,但从没见过碎玻璃自动组成完整的一片。

当然,量子物理学确实给很多规律带来冲击;但准粒子的特殊性质,还是超出了量子科学家的认知。

慕尼黑技术大学的物理学家Frank Pollman说:“到目前为止,我们默认,相互作用的量子系统中的准粒子会在一定时间后出现衰变。但现在知道情况恰恰相反:强相互作用甚至可以完全阻止衰变过程。”

准粒子并不是通常意义上的粒子——如电子和夸克。相反,它们是由电力或磁力在晶体中产生的扰动或激发效果,外在表现像是某种粒子。

如声子——在晶格中振荡原子的振动能量的离散单位——通常就被归为准粒子,而极化子是晶格中被捕获在极化云中的电子。

研究人员开发出用于计算这些准粒子复杂相互作用的数值方法,并在超算上运行模拟以观察它们的衰变过程。

“精心模拟的结果:诚然,准粒子确实会发生衰变,然而新的、相同的粒子实体又在破灭中涅槃重生。”慕尼黑技术大学和马克斯普朗克复杂系统物理研究所的物理学家Ruben Verresen说,“如果衰变过程非常快,那么在一定时间后会出现反作用,粒子碎片重新聚集成粒子。这一过程不断重演,且在衰变和重生之间持续振荡。”

同时,物理学家指出,它并未违反热力学第二定律。那是因为振荡就是波转化为物质的过程,是波粒二象性的量子力学概念所涵盖的内容。

它们的熵并没有减少,只是恒定。当然,这仍然很奇怪,但没有造成物理学上的危机。

事实上,新发现可以解释一些烧脑的现象。如在先前发现的实验里,发现磁性化合物Ba3CoSb2O9意外地稳定。现在它看起来可能是它包含了磁性准粒子。

另一个可能的例子是氦:它在绝对零度的温度下会变成无阻力的超流体。这种特殊的性质可以用氦气内部充满被称为旋子的准粒子来解释。

目前,这项工作仅限于理论领域,但研究人员认为,准粒子的恒定性使其在量子计算系统中具有持久存储数据的巨大潜力。

该研究发表在Nature Physics上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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