準粒子概念在物理學發展過程中發揮了極其重要的作用，并且得到了許多重要應用。那么，我們的世界是否可能是準粒子構成的“準世界”？事實上，物理學家正致力于構建適合任意子存活的“準世界”，并且構建現實世界的理論模型與設計“準世界”這兩件看似不同的行為，竟具有驚人的協同效應。

撰文 | Frank Wilczek

翻譯 | 胡風、梁丁當

描述真空中基本物理的思想也適用于材料中物理的研究，反之亦然，這種雙向詮釋已取得了豐碩成果，為現代電子與計算機技術奠定了理論基礎。時至今日，它仍在持續推動重大技術革新與基礎物理領域的發現。

將世界視為某種實體物質的觀念自古就有。亞里士多德提出了“自然害怕真空”的著名論斷，柏拉圖則把整個宇宙想象成一只龐大而奇特的動物。公允地講，我覺得——正如沃爾夫岡·泡利常說的——這些觀點甚至稱不上是錯的。

進入17世紀，這類觀點開始以一種更為科學、理性的形式被廣泛討論。此時正值科學革命曙光初現之時，自然哲學家們為了理解行星運動定律殫精竭慮。

勒內·笛卡爾提出，行星被嵌在一種無形的漩渦以太中，被其中的渦旋推動著運行。

艾薩克·牛頓在其劃時代巨著《自然哲學的數學原理》（三卷本）第二卷中，對笛卡爾的以太理論進行了批駁，指出“渦流假說面臨很多困難”。相比之下，牛頓提出的行星運動數學理論更加成功。其中，引力被描述成作用于空間分離物體之間的普適力。在牛頓理論中，空間徹底被非物質化，成為一種空洞的背景。

牛頓的理論統治了物理學近兩個世紀。但在十九世紀，空間再度被“填滿”。1862年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋受到邁克爾·法拉第的開創性實驗與前瞻思想的啟發，構建了（更準確說是構想出）一種充滿空間的介質（即以太），這種介質能夠精確復現當時觀測到的電磁場現象。

麥克斯韋建立的關于電磁現象的機械以太模型還預言了新的效應。其中最引人矚目的是：該模型預測，以太中的機械振動（對應電磁場中的電磁波）將以光速傳播——而光速值此前已通過獨立實驗測得。這一驚人的巧合使得麥克斯韋大膽斷言：“我們有充分的理由認為，光實質上...就是一種遵循電磁學規律、在電磁場中傳播的電磁場擾動?！?/p>

在最終確立的方程中，麥克斯韋完全擺脫了最初啟發他的機械以太模型，而將充滿空間的電磁場作為了基本研究對象。這些電磁場其實也是一種充滿空間的以太——一種超越機械論、更具“靈性”的以太。作為虔誠教徒的麥克斯韋對此甚為滿意：“浩瀚的行星、恒星之間的星際空間，不再是宇宙造物主尚未用他多元秩序的符碼書寫的荒蕪之地。我們終將發現，那里早已充盈著這種絕妙的介質……

人們普遍認為愛因斯坦的狹義相對論徹底否定了以太概念。的確，愛因斯坦在其1905年的開創性論文中，明確指出：“引入‘光以太’將被證明是多余的……因為根據本文中發展的理論，既不需要絕對靜止的假設，也不需要引入以太。”但后來他的論調有所改變。1920年，愛因斯坦在萊頓大學發表《以太與相對論》演講時，講到：“深入思考表明，狹義相對論并不必然否定以太的存在。我們可以假設以太存在，只是必須放棄賦予其任何特定的運動狀態。”

事實上，狹義相對論沒有否定電磁場的客觀存在。它建立在麥克斯韋方程組之上，也沒有改變它們。

而愛因斯坦的廣義相對論，則進一步將“世界即物質”的哲學思想推向新的高度。根據該理論，時空能夠彎曲和振動——仿佛我們都嵌于某種無處不在的奇異的彈性固體中。引力波(時空介質中一種和聲波類似的行波）的發現確鑿驗證了這一玄妙構想。

在量子世界里，物理學家們以“世界即物質，物質即世界”為主題，演繹出許多美妙的變奏，將這一思想推向全新高度。下面我將簡述兩個經典案例，再分享幾項我尤為喜歡的最新研究。

1905年，青年愛因斯坦迎來了他的“奇跡年”。 這一年，他不僅提出了時空統一理論（狹義相對論），還通過布朗運動證明了原子的存在。這兩項貢獻皆極富創造性地使用了當時公認的原理，因而迅速獲得主流學界的認同。

然而他那年提出的第三個想法，光是由粒子構成的（愛因斯坦最初稱之為“光量子”，即現代所稱的“光子”）——卻遭遇了截然不同的命運。這一理論不僅未能基于當時已有的學說，反而挑戰了這些來之不易的成果。正如前文所述，19世紀物理學最輝煌的成就，正是通過優美的電磁場方程與充分的觀測相互印證，確立了光的本質是電磁場振動的波。

根據權威科學傳記作家亞伯拉罕·派斯的記載，“當時整個物理學界對光量子假說抱持著近乎嘲諷的懷疑態度”，且“在1905至1923年間，他（愛因斯坦）幾乎是唯一堅持光量子假說的學者”。麥克斯韋的波動理論已成功解釋了大量光學現象，而愛因斯坦提出的光粒子性假說——在主流學界看來——僅僅是為了解釋少數波動理論無法涵蓋的異常現象而特意構建的理論。該理論想解決的問題是：實驗觀測表明，要產生極低振幅（或等效地說，極低能量）的光波，竟然令人費解的困難。愛因斯坦指出，這一困難源于光的能量具有最小不可分的基本單位——即他提出的“光量子”，根本不可能制造出比光量子更小的能量。

面對同行們的質疑，愛因斯坦毫不退卻。孤軍奮戰的他還向新的領域挺進。他追問道：若電磁波具有粒子性，那聲波是否也是如此？是否存在聲量子？早在1906年——距其顛覆性的光量子理論提出僅數月——愛因斯坦便再次給出了肯定答案。當時實驗物理學家同樣觀察到，產生極微弱的聲波也是令人費解的困難。愛因斯坦再次指出：這個困難源于根本不可能制造出比聲量子（即聲子）更小的能量。

由于這些能量量子（無論是光子還是聲子）都具有不可分割的最小單位特性，它們能以極其穩定的單位傳播。在當今物理實驗室及數碼攝影等現代科技中，光子—光的量子粒子——已成為觸手可及的現實和工具，聲的量子粒子（即聲子）亦然如此。

在物理史上，聲子是首個被發現的所謂的“準粒子”。粒子是空間中一個穩定的能量聚集，作為一個單位整體運動，并且具有可重復的特性。它們能夠作為基本構建單元組成更復雜的物理系統。準粒子具有完全相同的本質，但它存在于材料內部——如果材料內部存在微觀生命，對于它們這些準粒子與真實粒子毫無二致。正是基于“真實粒子與準粒子遵循相同量子規律”這一猜測，愛因斯坦發現了聲子。

Left to right: Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Rudolf Peierls (從左到右：保羅·狄拉克，沃爾夫岡·泡利，魯道夫·皮爾斯)

圖中三位物理學家的研究催生了最重要且令人驚奇的準粒子——空穴。
（學術說明：為突出核心要義，本文對歷史細節作了必要簡化。）

沃爾夫岡·泡利在1925年提出了泡利不相容原理。根據該原理，兩個電子不能處于同一個量子態。保羅·狄拉克則于1928年創立了狄拉克方程——這個極優美又極奇特的描述電子的方程，將量子力學與狹義相對論完美地統一起來。其最獨特之處在于，該方程存在描述負能量電子態的解，而此類狀態在自然界中從未被觀測到。為解決這一矛盾，狄拉克提出一個假說：我們通常所認為的真空，實際上是所有負能態均被電子填滿的電子海洋。

若該假說成立，則根據泡利不相容原理，我們能觀測到的任何"額外"電子都將無法占據這些負能態。

如此大膽的猜想連愛因斯坦都難以接受。他在給友人的信中寫道：“我無法理解狄拉克。這種在天才與瘋狂之間走鋼絲的行為——簡直讓人害怕。他是個自成一派的天才，但我理解不了他。”

然而狄拉克的思路完全正確。他根據自己的假說得到了一個驚人推論。設想一個高能光子撞擊一個負能量電子并使其獲得正能量，碰撞后，我們不僅會得到一個通常的正能量電子，還會在狄拉克海中留下一個“空穴”。這個空穴相較于真空背景而言，是一個“缺失”的電子——因此，其電荷與正常電子相反。狄拉克方程的細節（嚴格說是其對稱性）表明，空穴具有與普通電子相同的質量。綜合來看，這些空穴的行為恰似一種新粒子，即電子的反粒子，被稱為正電子。不久之后，1932年卡爾·安德森在研究宇宙射線時，觀測到了和狄拉克預言一樣的電子-正電子對產生過程。

派爾斯將狄拉克的推理方法應用于材料。描述材料中電子的方程通常具有較低的對稱性。這一差異導致了空穴與正電子的屬性具有定量的區別。在半導體中，產生空穴所需的能量比真空中產生正電子低很多，因此半導體中空穴的產生遠比在真空中產生正電子容易，這使得在半導體中產生大量帶正電的空穴成為可能。這些空穴與常規帶負電的電子互補，因此在設計半導體電路時，人們既能使用排斥力也能利用吸引力。工程師與芯片設計師們巧妙地利用這一特性，制造出了微型晶體管等精密電子元件，讓我們變得更加富足和強大。

這些工程技術大多太過復雜，難以在此詳述。但其中一項與狄拉克-安德森過程密切相關的發現，不僅原理相對簡單，更具有非凡的重要性。

雖然產生電子-正電子對需要高能宇宙射線光子，但是太陽光中的光子已足以在特定材料中激發出電子-空穴對。外加電場可驅使電子與空穴反向移動，防止其復合并保持它們的能量。通過這種方式，我們可以將豐富的太陽能轉化為易用的電能——這一過程如今已成為人類獲取充足、清潔、可持續能源的最切實可行的路徑。

大規模粒子-空穴對

準粒子的特性與其所處的材料密切相關。一些準粒子，比如聲子，在“基本”粒子（即真空中的粒子）中并沒有精確對應物，雖然引力波與之較為接近。其它的則具有對應，比如空穴對應正電子，但它們的性質在細節上具有重要差異。近年來，物理學家在設計材料方面展現出非凡的創造力與精湛技藝，這些材料中的準粒子不但有趣而且具有潛在應用價值。我更傾向于將此視為設計“準世界”。可以預見，在未來數年，機器學習必將把這種（準）世界創造藝術推向全新高度。

任意子是一種極其不同的新型準粒子。其獨特之處在于擁有某種“記憶”。（更準確地說，任意子的波函數演化依賴于粒子相互纏繞的方式——波函數因此記錄了任意子的運動軌跡，形成一種量子“旅行日志”。）這一特性在量子信息處理領域，尤其是構建量子計算機方面非常有用。受此潛在可能性的驅動，全球眾多物理學家正致力于構建適合任意子存活的“準世界”，并探索其實際應用。

我在20世紀80年代初提出“任意子”這一術語及與它相關的幾個關鍵想法時，并未考慮其潛在應用價值。相反，當時我純粹是在思考宇宙學與高能物理中的若干猜想性問題。但事實再次證明，構建現實世界的理論模型與設計“準世界”這兩件看似不同的行為，竟具有驚人的協同效應。

這一切引發了深刻的問題：我們所熟悉的世界（即我們在宇宙學觀測、天體物理研究和日常生活中習以為常的宇宙）與其他“準世界”之間是否存在本質差異？如果將現實世界視為某種特殊物理介質，這種觀點在多大程度上值得采信？我們的宇宙是否如同其中的諸多準世界一樣，僅僅是某個更大的結構——比如多重宇宙——的組成部分？那些可能與我們相鄰或嵌套的準宇宙中，是否存在不同類型的準粒子，從而遵循不同的物理定律？

基于這些思考，我們逐漸認識到：當我們看著一個由不同材料構成的復合結構時，實質上是在審視一個包含著多個獨特“準世界”的“準多重宇宙”。這種“準多重宇宙”在自然界中無可辯駁地普遍存在，在我看來，無疑極大增強了存在多重宇宙的可能性。

本文經授權轉載自微信公眾號“墨子沙龍”。

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