2026年,維也納工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家捅出了一個(gè)大簍子。

他們在一種量子材料里發(fā)現(xiàn)了一種此前被認(rèn)為"不可能存在"的物質(zhì)狀態(tài)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了2016年諾貝爾物理學(xué)獎的理論基礎(chǔ),也讓整個(gè)物理學(xué)界開始重新審視一個(gè)基本問題:

電子,到底是不是粒子?

這聽起來像個(gè)哲學(xué)問題,但它關(guān)系到量子計(jì)算、暗物質(zhì)探測、新型傳感器,甚至是未來科技的方向。而維也納團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)告訴我們:我們對物質(zhì)的理解,可能從根子上就錯(cuò)了。

粒子圖像:一個(gè)意外堅(jiān)挺的錯(cuò)誤

物理學(xué)有個(gè)基本假設(shè):電子是粒子。

當(dāng)我們描述電流如何在金屬中流動時(shí),腦子里想的是無數(shù)個(gè)小球在材料里飛奔,被電磁場加速或偏轉(zhuǎn)。這個(gè)圖景簡單直觀,而且驚人地好用。

甚至更現(xiàn)代的理論,比如2016年諾貝爾獎表彰的拓?fù)鋺B(tài)理論,也建立在這個(gè)粒子圖景之上。拓?fù)鋺B(tài)的核心概念是:粒子的速度、能量,甚至自旋方向和運(yùn)動方向的關(guān)系,都遵循特定的幾何規(guī)則。

"用拓?fù)鋪砻枋隽Ｗ有袨榭雌饋砗艹橄?但傳統(tǒng)理論仍然間接依賴經(jīng)典的粒子圖景,"維也納工業(yè)大學(xué)固體物理研究所的西爾克·比勒-帕申教授說,"這些理論假設(shè)我們描述的對象具有明確的速度和能量。"

問題是,有些材料根本不滿足這個(gè)假設(shè)。

在這些材料里,粒子圖景徹底崩潰。你無法再把電子想象成具有明確位置或速度的小球,因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們,粒子的行為像波,它們的位置本質(zhì)上是不確定的。

而維也納團(tuán)隊(duì)研究的材料,恰恰屬于這一類。

一種在兩個(gè)狀態(tài)之間瘋狂搖擺的材料

這種材料由鈰、釕和錫組成,化學(xué)式是CeRu?Sn?。

當(dāng)溫度降到接近絕對零度時(shí),這種材料展現(xiàn)出一種奇特的"量子臨界行為"。簡單說,就是它在兩個(gè)不同的狀態(tài)之間瘋狂搖擺,就像無法決定自己到底想成為什么。

"在這種波動狀態(tài)下,準(zhǔn)粒子圖景被認(rèn)為失去了意義,"論文第一作者戴安娜·基爾施鮑姆說。

準(zhǔn)粒子是物理學(xué)家為了描述復(fù)雜系統(tǒng)而發(fā)明的概念。在普通材料里,電子雖然相互作用復(fù)雜,但仍然可以近似看作獨(dú)立運(yùn)動的"準(zhǔn)粒子"。這讓我們能繼續(xù)用粒子圖景來理解材料。

但在CeRu?Sn?里,這套把戲不靈了。材料處于量子臨界態(tài),電子的行為完全無法用粒子來描述。按照傳統(tǒng)理論,這種材料不應(yīng)該有任何拓?fù)湫再|(zhì),因?yàn)橥負(fù)鋺B(tài)需要粒子圖景作為基礎(chǔ)。

然而,理論物理學(xué)家通過計(jì)算預(yù)測:這種材料應(yīng)該具有拓?fù)鋺B(tài)。

這就形成了一個(gè)明顯的矛盾。

一次好奇心驅(qū)動的賭博

面對這個(gè)矛盾,比勒-帕申團(tuán)隊(duì)一開始很猶豫。

理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)常識相互沖突。按照常識,一個(gè)連粒子圖景都不成立的材料,怎么可能有拓?fù)湫再|(zhì)?去驗(yàn)證這個(gè)預(yù)測,很可能是浪費(fèi)時(shí)間。

但最終,好奇心戰(zhàn)勝了謹(jǐn)慎。

戴安娜·基爾施鮑姆開始尋找拓?fù)鋺B(tài)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。她把材料冷卻到距離絕對零度不到1度的極低溫,然后觀察它的電學(xué)性質(zhì)。

結(jié)果讓所有人震驚。

她觀察到了一種明確指向拓?fù)鋺B(tài)存在的現(xiàn)象:自發(fā)霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)是這樣的:通常情況下,電流在磁場中會被偏轉(zhuǎn)。但在拓?fù)洳牧现?即使沒有外加磁場,電流也會自發(fā)偏轉(zhuǎn)。這是拓?fù)湫再|(zhì)的標(biāo)志性特征。

在CeRu?Sn?里,霍爾效應(yīng)清晰可見。

更詭異的是:電荷載流子的行為就像粒子,盡管粒子圖景在這種材料里已經(jīng)失效了。

"這是讓我們能夠毫無疑問地證明現(xiàn)有觀點(diǎn)必須修正的關(guān)鍵洞察,"比勒-帕申說。

波動越劇烈,拓?fù)湫?yīng)越強(qiáng)

更讓人震驚的發(fā)現(xiàn)還在后面。

基爾施鮑姆發(fā)現(xiàn),拓?fù)湫?yīng)最強(qiáng)的地方,恰恰是材料波動最劇烈的地方。當(dāng)用壓力或磁場抑制這種波動時(shí),拓?fù)湫再|(zhì)反而消失了。

這完全顛覆了物理學(xué)家的直覺。

按照傳統(tǒng)理論,拓?fù)鋺B(tài)應(yīng)該在材料處于穩(wěn)定、有序狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)。但CeRu?Sn?告訴我們:拓?fù)鋺B(tài)可以,甚至更傾向于,在材料處于混亂、波動的量子臨界態(tài)時(shí)出現(xiàn)。

"這太令人震驚了,"比勒-帕申說,"它表明拓?fù)鋺B(tài)應(yīng)該以更廣義的方式定義。"

團(tuán)隊(duì)將這種新發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)命名為"涌現(xiàn)拓?fù)浒虢饘?,并與德克薩斯州萊斯大學(xué)合作。萊斯大學(xué)的雷·陳(論文共同第一作者)在齊妙教授的團(tuán)隊(duì)中開發(fā)了一個(gè)新的理論模型,能夠?qū)⒘孔优R界性和拓?fù)湫越Y(jié)合起來。

"事實(shí)證明,產(chǎn)生拓?fù)湫再|(zhì)并不需要粒子圖景,"比勒-帕申說,"這個(gè)概念確實(shí)可以推廣,拓?fù)鋮^(qū)分可以以更抽象、更數(shù)學(xué)化的方式出現(xiàn)。而且不止如此:我們的實(shí)驗(yàn)表明,拓?fù)湫再|(zhì)甚至可能正是因?yàn)轭惲Ｗ討B(tài)的缺失而產(chǎn)生。"

從蘋果、面包和甜甜圈說起

要理解拓?fù)鋺B(tài),得先理解拓?fù)涫鞘裁础?/p>

拓?fù)鋪碜詳?shù)學(xué),用來區(qū)分不同的幾何結(jié)構(gòu)。比如,蘋果和面包在拓?fù)渖鲜堑葍r(jià)的,因?yàn)槟憧梢园衙姘B續(xù)變形成蘋果的形狀。但面包和甜甜圈在拓?fù)渖喜煌?因?yàn)樘鹛鹑τ袀€(gè)洞,這個(gè)洞無法通過連續(xù)變形創(chuàng)造出來。

類似地,物質(zhì)的狀態(tài)也可以用拓?fù)鋪砻枋?。粒子的速度、能?甚至自旋方向與運(yùn)動方向的關(guān)系,都可以遵循特定的幾何規(guī)則。

拓?fù)湫再|(zhì)的強(qiáng)大之處在于它的魯棒性。小的擾動,比如材料中的缺陷,不會改變這些性質(zhì),就像小的變形無法把甜甜圈變成蘋果一樣。

這就是為什么拓?fù)湫?yīng)在量子信息存儲、新型傳感器、無磁場控制電流等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價(jià)值。

但傳統(tǒng)理論認(rèn)為,拓?fù)鋺B(tài)需要粒子圖景作為基礎(chǔ)。維也納的發(fā)現(xiàn)打破了這個(gè)限制。

重寫教科書的時(shí)刻

這個(gè)發(fā)現(xiàn)有重要的實(shí)際意義。

它指向了一種全新的尋找拓?fù)洳牧系牟呗浴?我們現(xiàn)在知道,在量子臨界材料中尋找拓?fù)湫再|(zhì)是值得的,甚至可能特別值得,"比勒-帕申說。

量子臨界行為出現(xiàn)在許多類型的材料中,并且可以可靠地識別。這種聯(lián)系可能讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多新的"涌現(xiàn)"拓?fù)洳牧稀?/p>

對于量子計(jì)算、暗物質(zhì)探測、新型電子器件來說,這都是重大利好。傳統(tǒng)的拓?fù)洳牧纤阉鞣秶痪窒拊谀切┓狭Ｗ訄D景的材料中,但現(xiàn)在,整個(gè)量子臨界材料家族都成了潛在的候選者。

搜索空間擴(kuò)大了一個(gè)數(shù)量級。

物理學(xué)的邊界再次被推開

這個(gè)發(fā)現(xiàn)再次證明:物理學(xué)的邊界遠(yuǎn)比我們想象的更廣闊。

我們以為拓?fù)鋺B(tài)需要粒子,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不需要。我們以為量子臨界態(tài)和拓?fù)鋺B(tài)不能共存,結(jié)果它們不僅能共存,還能相互增強(qiáng)。我們以為物質(zhì)的有序態(tài)才能展現(xiàn)拓?fù)湫再|(zhì),結(jié)果最混亂的波動態(tài)反而拓?fù)湫?yīng)最強(qiáng)。

電子到底是不是粒子?在CeRu?Sn?里,答案是:它既不是粒子,也不是波,但它確實(shí)存在,并且能展現(xiàn)出我們以為只有粒子才能展現(xiàn)的性質(zhì)。

這不是哲學(xué)玩笑,這是實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

2016年諾貝爾物理學(xué)獎表彰的拓?fù)鋺B(tài)理論,現(xiàn)在需要被推廣了。拓?fù)鋺B(tài)比我們想象的更普遍,更基本,也更神秘。

而這一切,都始于一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在好奇心驅(qū)使下的一次賭博。他們本可以忽略那個(gè)矛盾的理論預(yù)測,但他們沒有。他們把材料冷卻到接近絕對零度,耐心觀測,最終發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的物質(zhì)狀態(tài)。

物理學(xué)的下一場革命,可能就藏在那些看起來"不可能"的矛盾中。

而維也納團(tuán)隊(duì)告訴我們:當(dāng)理論和常識發(fā)生沖突時(shí),去實(shí)驗(yàn)室看看,答案可能比任何人想象的都要瘋狂。

參考

Kirschbaum, D.M., et al. Emergent topological semimetal from quantum criticality, Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w, www.nature.com/articles/s41567-025-03135-w