量子物理出现新突破，一维体系中发现新型粒子行为

现代物理学有一个看起来非常牢固的共识。

即宇宙里所有基本粒子都可以分成两类。

一类叫玻色子
另一类叫费米子

这不是随便起的名字，而是整个物理结构的地基。

光子属于玻色子，电子、质子、中子属于费米子。一个负责传递作用力，一个负责组成物质。几十年来，这套划分几乎像自然规律一样稳固。

如果你学过一点量子力学，你甚至会觉得这件事理所当然。粒子交换位置时只有两种可能。要么系统完全不变，要么波函数翻转符号。数学上对应的结果只有加一和减一。

听起来像是一道早就写好的选择题。

但真正的问题在这里。

这种分类只在三维空间成立。

一旦空间维度发生变化，这套看似天经地义的结构就开始松动。

物理学家其实早就怀疑过这一点。

上世纪七十年代，理论研究提出一种奇怪的可能性。在某些低维空间里，粒子在交换位置时，不一定非得选择加一或者减一。它们可以落在中间任意位置。

这种介于两者之间的粒子后来被命名为任意子。意思很直白，就是既不是玻色子，也不是费米子。

很多年里，这种东西只是数学推演的产物。直到二零二零年，人们在二维材料界面中第一次观测到任意子的存在。这已经让粒子分类这件事出现了第一道裂缝。

而最近，一项新的理论研究把这条裂缝又向前撕开了一点。

研究者发现，在一维体系里，也可能存在任意子，而且这种任意子甚至具有可以调节的统计性质。

换句话说，如果宇宙被压缩成一条线，粒子行为可能会出现一个连续光谱，而不是简单的两分法。

理解这件事，必须先回到粒子分类的底层逻辑。

粒子为什么会被分成玻色子和费米子，其实来自一个极其微妙的量子原则。不可区分性。

在经典世界里，两颗弹珠只要颜色不同，就能被区分。即使交换位置，我们仍然知道谁是谁。

量子世界完全不是这样。两个电子如果所有量子属性都相同，那么它们在物理上就完全不可区分。交换位置这件事，本质上等价于什么都没发生。

而物理定律要求，系统状态在这种交换操作下必须保持一致。数学上这意味着交换两次必须回到原状态。能满足这个条件的只有两个结果。

加一，对应玻色子
减一，对应费米子

这就是三维宇宙里粒子只能有两种统计行为的原因。

但这个推理有一个隐藏前提。

粒子可以在空间中绕过彼此。

在三维空间里，这几乎是必然的。两个粒子要交换位置，可以走无数条不同路径。只要最终位置互换，路径细节不会影响系统状态。拓扑结构允许这些路径被连续变形到同一种情形。

低维空间则完全不同。

在二维平面中，粒子交换路径会形成类似编织的结构。路径之间不再总是可以互相变形。交换方式本身会留下历史痕迹。这时交换操作不再等同于什么都没发生，统计行为因此出现新的可能。

这正是二维任意子存在的根源。

而一维空间的情况更加极端。

在一条线上，粒子根本无法绕行。要交换位置，它们只能直接穿过彼此。这种过程会把粒子间的相互作用强度直接嵌入统计行为中。

换句话说，在一维系统里，粒子如何相互碰撞，会直接决定它们交换时的统计特性。

这就是新研究真正抓住的核心。

研究团队构建了一个理论框架，描述具有短程相互作用的一维粒子系统。他们发现，这种系统可以自然产生任意子的统计行为，而且交换统计参数可以通过相互作用强度进行连续调节。

这意味着统计性质不再是固定标签，而变成可以调控的物理量。

更重要的是，这套理论还预测了一个可观测特征。任意子的动量分布会呈现独特尾部结构，这为实验验证提供了明确目标。

而实验条件其实已经存在。

近年来，超冷原子技术可以把粒子限制在近似一维的光学势阱中，同时精确调控粒子间相互作用。这类系统已经成为研究量子多体行为的重要平台。理论与实验之间的距离正在迅速缩短。

这项工作真正重要的地方，不只是提出一种新型准粒子。

它动摇的是一个更深层的直觉。

我们一直默认粒子的性质属于粒子本身。但任意子的存在提示另一种可能。粒子的统计行为不只取决于它是什么，还取决于它所处空间的拓扑结构以及相互作用方式。

换句话说，粒子身份并非完全内禀属性，而是空间维度与动力学规则共同塑造的结果。

这听起来有点反常识，但量子物理本来就经常逼人接受这种结果。

如果把视角再放大一点，这项研究还透露出另一层意味。

物理学通常从三维世界出发建立直觉，然后再把理论推广到其他维度。但低维系统不断提醒我们，三维空间可能只是众多可能性中的一种特殊情况。

当空间维度改变时，连粒子分类这样看似基础的结构都可能发生变化。这意味着我们熟悉的物理规律，也许只是某种维度环境下的稳定解。

任意子一直被视为量子计算的重要候选载体。特别是在二维拓扑量子计算方案中，任意子的编织操作可以天然抵抗噪声。

如今，一维体系中出现可调任意子，可能为量子模拟和量子信息提供新的实验平台。

当然，这项研究目前仍属于理论阶段。但它给出的预测具有明确实验路径，而相关技术已经成熟。这让一维任意子的研究从数学构想变成了可以触及的现实课题。

如果把这件事用最简单的话概括，其实非常直接。

在三维宇宙里，粒子只有两种性格。
在低维世界中，粒子性格可能是一整条连续谱。

而空间维度，居然可以决定粒子行为的根本规则。

论文信息

Raúl Hidalgo-Sacoto 等
Universal momentum tail of identical one-dimensional anyons with two-body interactions
Physical Review A (2025)

Raúl Hidalgo-Sacoto 等
Two identical one-dimensional anyons with zero-range interactions
Physical Review A (2025)

研究由冲绳科学技术大学院大学与俄克拉荷马大学合作完成。