物理学家解开40年磁学谜题

物理学家们解开40年前的磁性谜团 莎拉·柯林斯 2026年8月25日 星期二 - 11：05

跨越“二象性缺陷”——即有序与无序边界的量子粒子——从未被反射。它总是穿透，但出来时已改变：不是粒子，而是一种扩散的线状激发，研究人员将其比作一缕雾气。

这些研究结果发表在期刊上自然物理可能有助于解决一个已有40年历史的物理学难题——磁单极子悖论。

来自剑桥大学、根特大学和牛津大学的研究人员借鉴了歌德诗中那缕雾气的影像埃尔科尼格该曲因作曲家弗朗茨·舒伯特1815年的作品而闻名。

诗中，一位父亲告诉他害怕的儿子，他看到的幽灵身影只是“ein Nebelstreif”——一缕雾气。但父亲悲剧性地错了。

自20世纪80年代以来，物理学家们一直在理论化当带电粒子从磁单极子上散射时会发生什么：即孤立的磁荷。一些科学家显示，粒子的出射态似乎消失了，而后续研究则认为缺失态隐藏在单极子的“扭曲”部分中。

现在，当前研究团队表示他们已经展示了这些粒子的去向。他们利用一种称为自旋链的模型，向一处二象性缺陷发射了量子波包——这些局部量子波束帮助确定粒子可能的位置和运动。

粒子总是越过边界，然后以变形的形式重新出现：微弱、分散，并拖着一根线回到边界，就像歌德的《内贝尔斯特里夫》一样。

剑桥大学应用数学与理论物理系（DAMTP）及根特大学的合著者弗兰克·弗斯特拉特教授说：“粒子每次都会通过——因为它别无选择，因为缺陷可以自由移动，粒子没有任何东西会反弹。”“但从另一端出来的已经不再是普通的粒子了。这就是我们所说的非定域物体——一个连接在无形绳子上、延伸到缺陷点的粒子。”

这项研究基于多年通过纠缠描述量子物质的工作——纠缠是量子理论中的一个特性，使两个粒子本质上相连——而非粒子本身，使用称为张量网络的数学工具。

在该框架中，对偶缺陷由包含虚拟空间的对象表示，通常被视为数学账目。在本次研究中，研究人员发现虚空间实际上是物理空间的：它是缺陷自身的内部量子态，其大小决定缺陷的内部自由度数。

根特大学的第一作者上田敦博士说：“缺陷携带一个隐藏的量子空间，这个空间决定了完美的传输方式和粒子的新身份。”

“对偶性是奇特的对称性：你不能逐粒应用它们，只能一次性应用于整个系统，”合著者劳伦斯·卢滕斯博士（同为DAMTP成员，帮助建立了该结果背后的数学框架）说。

牛津大学合著者保罗·芬德利教授说：“多年来，不可逆对称性和对偶缺陷一直被研究为美丽但抽象的结构。”“这项工作赋予它们操作意义：扔东西去一个，看看能得到什么。”

由于底层模型是一个简单的自旋链，该效应可以在现有的量子仿真平台上测试，如冷原子、捕获离子和超导处理器。研究人员表示，这可能导致粒子在穿越拓扑界面时首次直接观测其身份变化。

歌德的诗以悲剧收尾：父亲走到家中院子，怀中的孩子已死，被厄尔克尼希带走。但研究人员得出了相反的结论：这确实是内贝尔斯特赖夫。

参考资料：
上田敦等人通过二象缺陷实现完美粒子传输.’《自然物理》（2026年）。DOI：10.1038/s41567-026-03390-5

PASIEKA 来源：Getty Images

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