“第三类粒子”挑战物理教科书，科学家仍在尝试将其纳入相对论框架

秩序与混沌、先天与后天、阴与阳……古往今来，人们热衷于将世界一分为二。乍看之下，物理学似乎也顺应了这种倾向。以宇宙中捉摸不定的基本粒子为例，它们或许可以分为两大类：构成物质的粒子和传递力的粒子。

然而，在最近的数学研究中，科学家们发现了潜在的第三类粒子，并将其称为“仲粒子”。这些粒子既非物质也非力，而是介于二者之间的一种更奇异的存在，遵循另一套量子规则。这套规则在数十年前就被提出，但后来被多数人忽视了。

得益于数学领域的新见解，仲粒子存在的可能性或许比之前认为的更大。虽然人们尚未在自然界中观测到这些粒子，但如果它们确实存在，将彻底颠覆我们对现实的理解。粒子物理学的标准模型是我们目前对宇宙基本构成要素的最佳理论，但这个模型本身就存在漏洞：它忽略了引力，也无法解释暗物质或暗能量。但仲粒子或许有助于填补这些空白地带。

英国牛津大学的弗拉特科·维德拉尔表示：“这将具有重大意义，因为这可能意味着物理学的标准模型存在严重错误。”

粒子真的只有两大类？

为何科学界此前一直认为仲粒子不可能存在？要理解这个问题，需要先了解已知的两大类粒子。其一是费米子，如电子和夸克，它们构成物质；另一种是玻色子，如光子和胶子，它们传递力。

要理解这两类粒子的区别，还需要认识量子力学中的“全同粒子”。两个电子并不只是“极其相似”而已；就理论而言，它们是完全可互换的——也就是互为“全同粒子”。假如只是在理论上（借助数学工具）将两个电子对调，那么任何实验都不会发现交换前后有什么差别。不过，实验结果没有差别，并不意味着描述粒子的波函数也一定保持不变。

波函数是一种用数学方式描述粒子状态的工具，可以用来计算粒子在不同位置或状态下被测得的概率。按照传统量子力学的规则，当两个全同粒子对调时，波函数可以保持不变，也可以整体变号，也就是正负号翻转。这两种情况虽然未必能在通常的实验中显示出差别，但在物理上，却对应着玻色子和费米子这两种截然不同的粒子类型。

对玻色子而言，当两个全同的玻色子对调，波函数保持不变，这意味着多个玻色子可以处在完全相同的量子状态——拥有相同的能量、自旋等量子属性，而不必彼此“让开”。因此，玻色子能聚集在同一状态中。比如光子，就可以处于高度一致的量子状态，从而形成激光束。

和玻色子相比，费米子显得颇为“不合群”，原因在于，两个全同的费米子对调时，其波函数必须整体变号，这导致它们无法占据同一个量子态。这种特性，也解释了为什么原子中的电子会分布在不同的电子层和轨道中。

数十年来，物理学家一直认为，两个全同粒子对调时，波函数只可能出现前述的两种变化——要么保持不变，要么整体变号。但在1953年，物理学家赫伯特·格林看到了第三种可能。他提出，波函数内部可能存在更复杂的结构。

为便于理解，不妨把两个全同粒子想象成两个外观相同，但内部有看不见隔间的盒子。将其对调后，虽然表面上似乎什么都没改变，但实际上，其内部隐藏状态的排列却可能发生变化。这种在外部看不出差别、但存在隐藏内部状态（通常被称为“隐态”）的粒子，就是仲粒子。

“隐态”是仲粒子的特征，但恰恰也是人们对仲粒子持怀疑态度的根源，因为没人知道隐态在物理上对应着什么概念。它们究竟只是数学层面的巧妙构造，还是一种无法通过常规测量发现的量子属性？美国得克萨斯州莱斯大学的卡登·哈扎德认为，它们所承载的物理学意义，将取决于它们在真实的物理系统中究竟是什么。

正因如此，对格林而言，要证明仲粒子不只是数学设想，绝非易事。里约热内卢巴西物理研究中心的理论物理学家弗朗切斯科·托潘说：“人们从一开始就质疑，如果这类粒子存在，为什么从未被观测到？很多人认为，这类粒子之所以看不见，是因为它们实际上等同于玻色子和费米子。”

1971年，这一观点得到了重要的理论支持——塞尔吉奥·多普利切尔、鲁道夫·哈格和约翰·E·罗伯茨这三位物理学家证明，在三维空间中，按照当时的量子场论框架，仲粒子理论可以被重新解释为经过伪装的标准模型物理学理论。换言之，仲粒子虽然有趣，但似乎只存在于数学家的想象中。这一“DHR理论”（以三人姓氏的首字母命名），很快被写入教科书，并获得了科学界的长期认可。

难以突破二维的“任意子”

转折点出现在20世纪80年代。诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克证明，受限于二维系统的粒子（例如材料薄层内的粒子）确实可能遵循不同于费米子和玻色子的交换规则。他将这种粒子命名为“任意子”。

这对当时公认的正统理论构成了巨大的挑战。维尔切克表示，自己最初提出任意子时，以为只是开个玩笑，或是一个小巧思，但很快它们就在实验中出现了。

任意子并不是像基本粒子那样独立存在的自由粒子。它会在某些材料中出现，属于“准粒子”，即表现得像粒子一样的集体扰动。声子则是另一种更常见的准粒子，它本质上可以被视为一个声波的波包，由材料内部原子的集体振动产生，就像满座体育场中的“人浪”——虽然没有任何一个人在逐浪狂奔，但人浪却仿佛独立实体一般纵贯全场。

如今，某些任意子已被视为构建容错量子计算机的潜在基础单元，因而备受重视。2024年的一项实验表明，通过交换任意子的位置，可以让信息以一种更能抵抗错误的形式被存储起来。

但任意子毕竟只存在于二维系统中，对于针对三维空间建立的DHR理论而言，它们看起来只是一个特殊的例外：既奇特又有用，却不足以推翻标准模型关于费米子与玻色子的二分法。

在三维空间中，要让仲粒子理论成立则困难得多。2021年，托潘尝试在传统的代数结构之外，引入一种新的数学工具，用来描述仲粒子。借助这一数学框架，他发现，普通空间不再会迫使仲粒子坍缩回费米子或玻色子，关键在于不再把粒子一个个孤立地看待。单独来看，它们仍可能被当作普通粒子；但当它们以群体形式存在，共享的量子态会携带一种额外的数学“指纹”，这是仲粒子所独有的特征。

但一个关键问题仍未解决：在数学上交换两个全同粒子的标签，与在现实中真正移动粒子，并不是一回事。对于玻色子或费米子而言，在波函数中交换两个全同粒子，并不意味着真的要让一个电子绕着另一个电子移动。实际上，改变的只是粒子的标签：原先标记为A的粒子现在被标记为B，B则成了A。由于电子属于全同粒子，任何可观测的物理量都不应因此发生变化。

但就仲粒子而言，情况却有所不同，交换它们的标签，会改变隐态。尽管尚不清楚这在物理层面上对应什么，但重新标记似乎会产生真实的后果。比如，将一个仲粒子放在地球上，另一个放在冥王星上，你会发现，交换它们的标签，似乎会违反“局域性”原理——该原理指出，相距遥远的物体无法瞬间相互影响。

神秘“指纹”或深藏宇宙中

2025年，一个新的解决方案浮出水面。当时在莱斯大学攻读博士、现任职于德国马克斯·普朗克量子光学研究所的王致远，正和同事兼前导师哈扎德，利用托潘提出的一个代数结构相似、但经过扩展的数学框架，将粒子重新标记的数学操作与现实中的物理运动联系起来。在论文中，他们证明，只有当粒子确实通过物理运动完成对调，即让一个粒子绕另一个粒子运动，才会改变仲粒子的隐态。这一过程需要时间，因此无法产生超光速信号。

王致远和哈扎德的研究表明，仲粒子可能以准粒子的形式存在，且其维度可高于任意子。托潘说：“这是一篇绝对精彩的论文。”维尔切克认为，这一发现“有趣且引人入胜”，只是还需要进行更多的理论研究。

要证明仲粒子存在，难点是必须通过某种间接方法探寻其标志性的隐态。

托潘最近提出了一种方法：设想两位科学家分别监测一对粒子对调前后的状态，并比较测量结果。对普通的玻色子或费米子，两次结果应当完全一致；而对于仲粒子，由于隐态的变化会微妙地影响波函数，即便粒子本身看起来完全相同，仍然可能在测量数据中留下具有特征性的不对称现象。

哈扎德与美国宾夕法尼亚州立大学的布莱斯·加德韦，希望在超冷原子链中寻找并检测具有仲粒子特征的量子态。虽然这不等于发现基本仲粒子，但如果成功，就能证明仲粒子的奇异行为可在真实的物理系统中显现。

另一方面，发现基本仲粒子是一项更为艰巨的任务。一条可能的途径是借助粒子加速器。维德拉尔表示，具体做法是加速一些粒子，引发级联反应，然后观察结果。这意味着让粒子相互碰撞，然后在这些“碰撞碎片”中寻找特殊规律。从原理上讲，仲粒子在交换位置时可能留下隐态变化的印记。

或许还可以在已有数据中寻找证据。如果仲粒子参与了暗物质、暗能量或其他宇宙现象，它们的“指纹”可能早已藏身于对宇宙的观测中。维德拉尔等人建议在宇宙微波背景（宇宙大爆炸的遗留辐射）中寻找这些粒子存在的迹象。英国约克大学的卡西亚·雷兹纳表示，这是“寻找仲粒子最简单、最经济的方式”。

可为揭秘暗物质提供线索

如果仲粒子真的存在，会产生什么影响？哈扎德表示：“以新型准粒子为基础的材料，可能拥有出人意料的特性。”例如，含仲粒子的材料可能会以意想不到的方式导热导电。

王致远则认为，这在加密通信领域可能会产生有趣的应用。比如，在交换信息时，人们想避免发送可能被截获的传统信号。从原理上讲，或许可以通过仲粒子的交换过程来传递信息，免得留下与传统通信信号相同的可测量痕迹。

虽然新型准粒子可能带来技术突破，但更大的收获在别处：仲粒子或许不仅存在于材料内部，更可能是一种新型基本粒子。不过，哈扎德提醒，有关它们可能是基本粒子的想法，目前还纯属猜测，有点像是一种迫不得已才提出的设想。但当你与追寻新基本粒子的科研人员交谈时，就会发现“我们确实有些走投无路了”。

用仲粒子解释暗物质之谜，也是一个特别有吸引力的方向。星系周围环绕着由不可见物质形成的巨大的暗物质晕，但至今仍不清楚这些物质由什么构成。哈扎德已与同在莱斯大学的宇宙学家安德鲁·朗和穆斯塔法·阿明一道，开始探索仲粒子是否能解释这一现象。

这一设想与费米子的“不合群”特性有关：由于两个全同费米子不能占据同一个量子态，因此费米子暗物质的质量会受到一定限制。但朗表示，如果暗物质粒子的质量低于电子质量的约50万分之一，那么暗物质就不可能由费米子构成。在他们讨论的暗物质晕模型中，极轻的暗物质粒子通常被认为更可能属于玻色子，例如假想中的轴子，它们与普通物质和光的相互作用非常微弱。

但阿明意识到，仲粒子的“社交规则”不同于费米子和玻色子，或许它们在质量很小的情况下，也能形成暗物质晕。这一想法尚处于初步探索阶段，但已足以令人浮想联翩。朗觉得，暗物质研究者会非常欢迎这样一种可能。

目前，王致远和哈扎德正致力于将仲粒子纳入一个完全符合相对论要求的基本粒子理论框架。这一努力究竟会揭示一种全新粒子，还是会再次关闭这扇理论之门，仍有待观察。如果仲粒子经受住了这些检验，它们可能会以我们难以想象的方式改变物理学的标准模型。

哈扎德认为，甚至存在这样一种可能：如果测量足够精确，那么某些已知的费米子或玻色子，可能会呈现出类似仲粒子的行为。他提出了一个发人深省的问题：“我们究竟有多大把握确定电子就是费米子？”

物理学有时会将现实视为非黑即白。但仲粒子提醒我们：自然界那些看似最为清晰的分界，往往最值得重新审视。

原标题：《“第三类粒子”挑战物理教科书，科学家仍在尝试将其纳入相对论框架》