Порядок и хаос. Природа и воспитание. Инь и ян. Нам нравится делить мир части. И физика, на первый взгляд, этому не противоречит. Если взять неуправляемый зоопарк фундаментальных частиц Вселенной, то он, кажется, делится на два лагеря. Если обобщить, то мы имеем материю и фундаментальные взаимодействия. Вместе они составляют удивительно простой рецепт реальности.
Вот только физика умеет портить простые рецепты. В ходе недавних математических исследований ученые обнаружили потенциальную третью категорию частиц. Эти так называемые парачастицы не являются ни материей, ни силой, а представляют собой нечто среднее. И в отличие от бозонов и фермионов, они подчиняются альтернативному набору квантовых правил, которые были впервые предложены несколько десятилетий назад, но в значительной степени отвергнуты.
Благодаря новым математическим открытиям парачастицы могут оказаться более жизнеспособными, чем кто-либо предполагал. Никто не видел их в природе, но ставки высоки. Если парачастицы существуют, это перевернет наше представление о реальности.
Стандартная модель физики элементарных частиц, наша лучшая на сегодняшний день теория о фундаментальных составляющих Вселенной, уже имеет пробелы: она не учитывает гравитацию и не может объяснить темную материю и темную энергию. Но парачастицы могут открыть новый путь к изучению этих недостающих элементов. «Это было бы грандиозно, — говорит Влатко Ведрал из Оксфордского университета. — Это могло бы означать, что Стандартная модель сильно ошибается».
Бинарность в основе реальности
Чтобы понять, почему существование парачастиц когда-то казалось невозможным, стоит вернуться к двум известным нам типам частиц. Существуют фермионы, такие как электроны и кварки, которые составляют материю. И существуют бозоны, такие как фотоны и глюоны, которые переносят взаимодействия. Вместе они составляют все фундаментальные частицы Стандартной модели. Материя и переносчик взаимодействия: это разделение не просто поверхностное, оно, похоже, заложено в самой математической структуре квантовой механики.
Квантовая механика рассматривает частицы странным, но строгим образом. Два электрона не просто очень похожи. С точки зрения теории, они взаимозаменяемы. Поменяйте их местами в математических расчетах, и ни один эксперимент не покажет, что что-то изменилось.
Речь идет о волновой функции — математическом объекте, который кодирует вероятности нахождения частиц в определенных состояниях, определяемых такими свойствами, как местоположение, энергия и спин — своего рода внутренний угловой момент. Волновые функции содержат странные компоненты, в том числе отрицательные знаки и мнимые числа. Но в экспериментах мы получаем только обычные вероятности. Чтобы их вычислить, физики возводят волновую функцию в квадрат, и некоторые математические странности исчезают.
Нейтронная звезда. Светящийся голубой шар с красными полюсами имеет линии магнитного поля, соединяющие северный полюс звезды с южным. Он расположен на звездном фоне
Фермионы, такие как нейтроны, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. В нейтронной звезде это создает квантовое давление, которое препятствует дальнейшему гравитационному сжатию звезды.
Все это означает, что при обмене местами двух идентичных частиц возможны два исхода: волновая функция может остаться неизменной или поменять знак. После возведения в квадрат оба варианта дают одинаковую положительную вероятность. Но с физической точки зрения они описывают совершенно разные типы частиц.
В одном случае идентичные частицы могут скапливаться вместе. Это бозоны — семейство, в которое входят фотоны, являющиеся переносчиками электромагнитного взаимодействия, и глюоны, переносящие сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки в протоны и нейтроны. Поскольку бозоны могут одновременно обладать одними и теми же квантовыми свойствами, они, как правило, довольно «общительны». Например, фотоны могут скапливаться в луче лазера.
В другом случае идентичным частицам запрещено находиться в одном квантовом состоянии. Это фермионы, в том числе электроны, кварки и призрачные частицы, известные как нейтрино. Математически им запрещено перекрываться, что делает электроны антисоциальными частицами и объясняет, почему они занимают разные оболочки вокруг атомных ядер. Это также объясняет, почему обычная материя обладает такой упорной твердостью: если сжать атомы слишком сильно, их электронам некуда будет двигаться, что приведет к возникновению квантового давления, препятствующего дальнейшему сжатию.
Треснувшая синяя чаша с уравнениями, звездами, планетами и галактиками, украшающими ее поверхность. Она треснула, но золотой клей склеил ее.
Мы разгадываем фундаментальную тайну того, как устроена реальность
На протяжении десятилетий ученые пытались, но так и не смогли объяснить, как на самом деле работает сила, удерживающая вместе ядро атома. Но новые математические инструменты наконец-то приоткрывают завесу над этой проблемой.
На протяжении десятилетий казалось, что все возможности исчерпаны. Очевидного третьего варианта не было. Но в 1953 году физик Герберт Грин его нашел. Он предположил, что волновая функция может иметь внутри себя больше структуры, чем предполагали физики. При обмене местами двух одинаковых частиц волновая функция не обязательно должна оставаться прежней или менять знак. Он также может изменять скрытые внутренние состояния, которые не проявляются напрямую при обычных измерениях.
Представьте себе две одинаковые на вид коробки. Снаружи их перестановка ничего не меняет: это все те же коробки, и при обычном осмотре вы получите тот же результат. Но что, если внутри есть невидимые отделения? В таком случае внешняя идентичность сохраняется, хотя что-то скрытое внутри изменилось. Такие состояния часто называют «скрытыми», а частицы, обладающие ими, — «парачастицами».
Эти скрытые состояния стали причиной скептического отношения к парачастицам. Никто не знал, чему они соответствуют в физическом мире. Возможно, это всего лишь математический трюк. А может быть, они похожи на спин — квантово-механическое свойство, не имеющее прямого классического эквивалента, — только скрыты от обычных измерений. «Их физическое значение будет зависеть от того, чем они являются в реальной физической системе», — говорит Кейден Хаззард из Университета Райса в Техасе.
Фотоны — это бозоны, частицы, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно благодаря этому стали возможны такие технологии, как лазеры.
Из-за этого Грин столкнулся с серьёзными трудностями. «Уже в самом начале люди начали спрашивать: «Если они существуют, почему мы их не наблюдаем?» — говорит Франческо Топпан, физик-теоретик из Бразильского центра физических исследований в Рио-де-Жанейро. «Люди утверждали, что их нельзя увидеть, потому что на самом деле они эквивалентны бозонам и фермионам».
В 1971 году этот аргумент, казалось, возымел силу. Трое физиков — Серджио Доплихер, Рудольф Хааг и Джон Э. Робертс, известные как DHR, — показали, что в трехмерном мире любую теорию парачастиц можно представить как замаскированную обычную физику стандартной модели. Само пространство заставляло бы парачастицы вести себя либо как фермионы, либо как бозоны, и вскоре их вердикт превратился в общепризнанный факт: парачастицы — забавная, но нереальная идея.
Тем не менее некоторые не сдавались. В 1980-х годах нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек показал, что частицы, ограниченные двумя измерениями — как это может происходить в тонких слоях материалов, — действительно могут подчиняться другим законам. Он назвал их «аномальными частицами», и они стали серьезным вызовом общепринятым представлениям. «Когда я впервые выдвинул идею об аномальных частицах, я думал, что это просто забава и любопытство, — говорит Вильчек. — Но вскоре они подтвердились экспериментально».
Однако не в виде свободно перемещающихся фундаментальных частиц. Анионы возникают в некоторых материалах и известны как «квазичастицы» — коллективные возмущения, которые ведут себя как частицы. Фонон — более простой пример. По сути, это пакет звуковых волн, возникающих при колебаниях атомов в материале, — что-то вроде «мексиканской волны», распространяющейся по переполненному стадиону. Ни один человек не является волной, но волна движется так, словно она — самостоятельный объект.
Тем не менее к аниононам сейчас относятся серьезно как к возможным строительным блокам для отказоустойчивых квантовых компьютеров. Эксперимент, проведенный в 2024 году, показал, что их перестановка позволяет хранить информацию в форме, более устойчивой к ошибкам. Но аниононы выглядели как особая лазейка в правиле, сформулированном в теории Хокинга — Вайнберга — Салама: экзотика, полезная в лаборатории, но не способная опровергнуть бинарную природу Стандартной модели.
Код взломан
В трехмерном пространстве заставить парачастицы работать гораздо сложнее. В 2021 году Топпан попытался использовать другой тип алгебры для описания парачастиц в лабораторных условиях. С помощью этой математической модели он обнаружил, что обычное пространство больше не заставляет парачастицы превращаться в фермионы или бозоны. Хитрость заключалась в том, чтобы перестать рассматривать частицы по отдельности. Сами по себе они все еще могут выглядеть как обычные частицы, но в группах их общее квантовое состояние несет в себе дополнительный математический признак, уникальный для парачастиц.
Но серьезные проблемы остались. Для бозонов или фермионов замена двух идентичных частиц в волновой функции не означает, что это должно происходить в реальном мире. Никто не перетаскивает один электрон вокруг другого. Вместо этого вы просто меняете обозначения: частица, которая раньше называлась А, теперь называется В, и наоборот. Поскольку электроны идентичны, ничто из того, что можно измерить, не должно измениться.
Парачастицы — это гипотетический третий класс частиц, отличный как от фермионов, образующих материю, так и от бозонов, переносящих взаимодействие.
Парачастицы казались чем-то другим. Замена их названий также изменила кое-что еще: их скрытые состояния. Даже если неясно, чему это соответствует с физической точки зрения, смена названий, похоже, имела реальные последствия. Теперь представьте, что одна парачастица находится на Земле, а другая — на Плутоне, и вы обнаружите, что смена их названий нарушает принцип, известный как «локальность», согласно которому удаленные объекты не могут мгновенно влиять друг на друга.
Но недавно было найдено решение этой некогда фатальной проблемы. Чжиюань Ван, который тогда был аспирантом в Университете Райса, а сейчас работает в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка в Германии, во время карантина из-за пандемии COVID-19 был вынужден сидеть дома и развлекался математикой. «Это довольно забавно», — говорит Хаззард, его коллега и бывший научный руководитель. Ван спасался от скуки, «играя с представлениями алгебры». Но когда Ван показал ему свои вычисления, Хаззард сразу же заинтересовался.
Используя аналогичную, но расширенную версию алгебры Топпана, Ван и Хаззард связали математику перемаркировки частиц с физическим движением. В статье, опубликованной в 2025 году, они показали, что обмен может изменить скрытые состояния парачастицы только в том случае, если частицы действительно поменяются местами. Этот процесс требует времени, поэтому он не позволяет передавать сигнал со скоростью, превышающей скорость света.
Как квантовые инновации могут разрушить представление о мультивселенной
Многомировая интерпретация квантовой механики предполагает существование альтернативных реальностей, которые поддерживают баланс. Неужели решение парадокса столетней давности поставило под сомнение их существование?
«Это абсолютно блестящая статья», — говорит Топпан. Вильчек называет открытие «интересным» и «захватывающим», но говорит, что нужна дополнительная теория. Ван и Хаззард показали, как ведут себя парачастицы при обмене, но пока не раскрыли всей тайны того, как они перемещаются и взаимодействуют друг с другом. «Энионы отличаются тем, что мы можем отслеживать всю историю движения частиц», — говорит он.
Тем не менее работа Вана и Хаззарда предполагает, что парачастицы могут существовать как квазичастицы, которые могут находиться в пространствах большей размерности, чем анионоподобные частицы. «Новые типы квазичастиц могут дать нам материалы со свойствами, о возможности которых мы даже не подозревали», — говорит Хаззард. Например, материалы, содержащие парачастицы, могут проводить тепло или электрический заряд непривычным образом.
Ван также считает, что у парачастиц могут быть интересные применения в сфере секретной связи. Представьте, что две стороны хотят обменяться информацией, не отправляя обычный сигнал, который может быть перехвачен. В принципе, обмен парачастицами может позволить кодировать информацию при их взаимодействии, не оставляя при этом измеримых следов.
Новая фундаментальная частица
Хотя открытие новых квазичастиц может привести к появлению новых технологий, главная цель лежит в другой области: парачастицы могут оказаться не просто внутри материалов, а новым типом фундаментальных частиц. «Идея о том, что это могут быть фундаментальные частицы, крайне умозрительна. Эта идея кажется немного отчаянной, — говорит Хаззард. — Но когда общаешься с людьми, занимающимися поиском новых фундаментальных частиц, оказывается, что мы в некотором роде в отчаянии».
Никто пока точно не знает, какую роль будут играть такие частицы и как они будут взаимодействовать с уже известными нам частицами. Но они почти наверняка будут вести себя не так, как все частицы Стандартной модели. Бозоны с удовольствием собираются в группы, в то время как фермионам это запрещено. Парачастицы подчинялись бы более странному правилу: они не то чтобы могли скапливаться, но и не то чтобы им было запрещено перекрываться. Они открыли бы для частиц новый способ совместного использования квантового пространства Вселенной.
Одной из особенно заманчивых проблем, к которой можно применить эти теории, является загадка темной материи. Мы знаем, что галактики окружены огромными ореолами невидимой материи, но до сих пор не знаем, из чего она состоит. Хаззард уже начал изучать, могут ли парачастицы подойти для этой цели, вместе с космологами Эндрю Лонгом и Мустафой Амином, которые также работают в Университете Райса.
Две красные вишни. Пространство между ними похоже на еще одну вишню, что указывает на третью категорию объектов.
Парачастицы могут подчиняться незнакомым нам квантовым законам, при этом скрытые состояния меняются местами, когда идентичные частицы меняются местами, говорит Стефан Шмитц.
Невозможность для фермионов находиться в одном и том же квантовом состоянии накладывает ограничения. «Если масса частицы темной материи меньше примерно 1/500 000 массы электрона, то темная материя не может состоять из фермионов», — говорит Лонг. По этой причине очень легкие кандидаты на роль темной материи — например, гипотетические частицы, известные как аксионы, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей и светом, — обычно рассматриваются как бозоны.
Но Амин понял, что новые социальные правила для парачастиц могут позволить им быть достаточно легкими, чтобы образовывать гало из темной материи. Эта идея пока находится на стадии разработки, но она весьма интригующая. «Думаю, люди, которые занимаются темной материей, с большим энтузиазмом отнесутся к идее о том, что появилась совершенно новая возможность», — говорит Лонг.
Доказательство существования парачастиц
Доказать существование парачастиц будет непросто. Их определяющие скрытые состояния нельзя измерить напрямую. Вместо этого физики должны искать их косвенным путем.
Топпан недавно предложил один из таких тестов. Представьте, что два ученых наблюдают за парой частиц до и после их обмена. Для обычных бозонов или фермионов результаты измерений должны полностью совпадать. Для парачастиц скрытые состояния будут слегка изменять базовую волновую функцию, создавая заметную асимметрию в данных, даже если сами частицы по-прежнему кажутся идентичными.
Хаззард и Брайс Гэдуэй из Университета штата Пенсильвания надеются обнаружить этот эффект в состояниях, подобных парачастицам, в цепочках ультрахолодных атомов. Это не будет означать открытия фундаментальной парачастицы, но покажет, что их странное поведение может проявляться в реальной физической системе.
С другой стороны, найти фундаментальную парачастицу было бы еще сложнее. Один из возможных путей — использование ускорителей частиц. «Нужно разогнать несколько частиц, вызвать каскадную реакцию, а затем наблюдать за результатами», — говорит Ведраль. Это значит, что нужно столкнуть частицы, позволить столкновению породить новые частицы, а затем искать закономерности в остатках. В принципе, парачастицы могут нести в себе отпечаток скрытых состояний, которые меняются при обмене частицами.
Но, возможно, есть способ увидеть доказательства в уже имеющихся у нас данных. Если парачастицы участвуют в формировании темной материи, темной энергии или других космических явлений, их следы могут уже проявляться в результатах наблюдений за Вселенной. Ведраль и другие ученые предлагают искать их влияние в космическом микроволновом фоне — реликтовом излучении, оставшемся после Большого взрыва. «Одна из возможностей заключается в том, что существует вклад от каких-то взаимодействий парачастиц», — говорит он. Касия Рейзнер из Йоркского университета в Великобритании говорит, что это «самый простой и дешевый способ их найти».
На данный момент парачастицы остаются скорее математической возможностью, чем физической реальностью. Многое до сих пор неизвестно, в том числе их масса, спин и полная динамика. Ван и Хаззард сейчас работают над тем, чтобы включить их в полностью релятивистскую квантовую теорию поля — язык современной физики элементарных частиц. Пока неясно, приведет ли эта работа к открытию нового типа частиц или снова захлопнет дверь перед носом ученых.
Но если парачастицы выдержат такие испытания, они могут изменить стандартную модель так, как мы и представить себе не можем. По словам Хаззарда, существует даже вероятность того, что некоторые частицы, которые мы уже знаем как фермионы или бозоны, могут вести себя как парачастицы, если их измерять достаточно точно. «Некоторые люди писали нам: «Насколько точно мы знаем, что электрон на самом деле является фермионом?» — говорит он.
Это показательный вопрос. Иногда физика видит реальность в черно-белых тонах. Но парачастицы — важное напоминание о том, что самые четкие границы в природе часто оказываются местами, на которые стоит взглянуть еще раз.
