这些都是我们从小就习以为常的静电现象。

它看起来简单得不能再简单，甚至很多人小时候就知道，只要把气球在头发上来回摩擦，头发就会被吸起来。

可是，如果进一步追问一个看似基础的问题——两个物体接触或者摩擦之后，到底为什么会带上电？究竟是什么东西从一个物体转移到了另一个物体？

科学家却很难给出一个足够完整的答案。

事实上，静电已经被人类研究了几个世纪，但直到今天，它依然是物理学中一个没有被彻底破解的问题。

最新研究正在让科学家逐渐接近答案。

研究人员发现，即使是两个看起来完全相同的物体，在相互接触之后，也可能出现完全不同的带电结果。而造成这种差异的原因，可能并不在材料本身，而在物体表面那一层薄到几乎无法察觉的“东西”上。

这些覆盖在物体表面的碳质化合物来自我们周围的空气，它们会悄悄附着在材料表面。科学家现在发现，这层肉眼无法看到的物质，可能会显著改变物体接触之后的带电行为。

这意味着，我们过去认为“两个一样的东西碰在一起，结果应该一样”的直觉，很可能并不成立。

为了研究静电产生的过程，一些科学家甚至开始使用非常精细的实验手段，尽可能避免在实验过程中碰到研究对象。

奥地利科学技术研究院的物理学家加利恩·格罗斯让曾经负责研究一些非常微小的玻璃颗粒。实验中的玻璃珠小到需要使用镊子小心处理，每一个颗粒都必须尽可能避免受到额外的碰撞，因为一次不经意的操作，都可能改变它的表面状态。

为了避免直接接触这些玻璃珠，研究人员使用超声波制造声学力，把微小玻璃颗粒悬浮在空中。

玻璃珠就这样漂浮着。

随后，研究人员关闭超声波，让玻璃珠瞬间落下，与下方的金属或其他材料表面发生碰撞。就在它撞击的一瞬间，研究人员又重新利用超声波把玻璃珠“接住”。

整个过程发生得非常快。

从实验设计来看，这似乎是在研究一个非常普通的动作：一个小球落下来，然后撞到一个平面。

但真正让科学家感到困惑的是，碰撞之后，这个小球为什么会带电，以及它究竟获得了正电还是负电。

问题就在这里。

我们通常认为，当两个物体相互摩擦或者发生接触时，它们之间会发生电荷转移。

这种现象被称为摩擦起电或接触起电，也就是triboelectricity。

最熟悉的例子就是气球和头发。

当气球在头发上摩擦时，气球通常会获得负电荷，而头发则带上正电荷。由于同种电荷相互排斥，头发上的发丝会彼此推开，看起来就像突然“炸开”了一样；与此同时，带相反电荷的头发和气球又会相互吸引，因此气球可以黏在头发甚至墙壁上。

如果人体或者其他物体积累了足够多的静电，当它再次接触导体时，积累的电荷就可能瞬间释放，于是我们便会感觉到熟悉的“啪”一下。

这些现象我们都能轻易观察到。

可是，真正的微观过程却没有这么简单。

科学家知道电子带负电，质子带正电，一个物体在通常情况下正负电荷大致平衡，因此整体表现为电中性。

当两个材料接触后，这种平衡可能发生改变。

但究竟发生了什么？

电子真的从一个物体移动到了另一个物体吗？

还是某些带电离子发生了转移？

又或者，转移的并不是单个电子或离子，而是更大的带电物质微粒？

这些不同机制理论上都可以造成电荷不平衡，但科学家至今仍无法用一个简单、统一的模型解释所有情况。

更麻烦的是，即使研究人员使用同一种材料进行实验，也可能得到不同结果。

科学家曾经建立过一套所谓的“摩擦电序列”，试图排列各种材料在相互接触时更容易带正电还是负电。

例如，某些材料更倾向于失去电子，另一些材料则更容易获得电子。

这套序列表面上看起来很有用，因为它能够帮助预测两个材料接触之后可能出现的电荷变化。

但当科学家真正深入研究时，却发现事情远没有那么整齐。

不同实验有时会得到不同的排列结果。

更重要的是，即便知道某种材料通常更容易带正电或负电，科学家仍然很难解释：为什么它会这样？

到底是什么材料性质决定了它最终获得哪一种电荷？

如果两个物体完全相同，它们彼此接触之后又为什么仍然可能发生带电？

这些问题让静电研究长期处于一种非常奇特的状态。

我们知道它存在，也知道它能产生很多实际效果，却很难真正说清楚它最基本的机制。

而且，静电并不是一个只存在于教科书里的“小把戏”。

它实际上影响着从日常生活到工业生产，再到行星形成和太空探索的许多过程。

科学家认为，尘埃颗粒之间产生的静电作用，可能参与了行星形成的早期过程。

在年轻的行星系统中，大量微小尘埃不断碰撞、聚集，最终逐渐形成更大的天体。在这个过程中，颗粒之间的电荷可能影响它们彼此吸引还是排斥，因此静电可能在行星形成的早期阶段扮演了一定角色。

地球上的雷电同样与电荷积累密切相关。

强烈的雷暴会产生巨大的电荷分离，当电势差达到一定程度时，就可能发生剧烈放电，形成我们熟悉的闪电。

尘暴也会受到静电影响。

空气中大量尘埃颗粒相互碰撞时，可以产生电荷积累，这些电荷会进一步影响颗粒之间的相互作用。

甚至植物的授粉过程也可能利用静电。

一些研究表明，带电的花粉更容易附着到传粉动物身上，从而帮助花粉在不同花朵之间移动。

所以，静电绝不是一个无关紧要的小现象。

它可能参与自然界很多过程。

另一方面，静电有时候又是工业生产中的麻烦制造者。

积累的电荷可能产生火花，而在存在可燃气体、粉尘或者其他危险物质的环境里，一次不起眼的放电就可能引发火灾甚至爆炸。

在制药、电子制造等行业，静电也可能干扰生产过程。

对于精密电子设备来说，静电放电可能损坏敏感元件。

在科学实验中，如果研究人员无法控制材料表面的电荷状态，也可能导致实验结果出现难以解释的变化。

因此，科学家其实有非常现实的理由去研究静电。

他们并不是单纯为了弄明白“为什么气球可以粘在墙上”。

真正的问题是，如果我们无法理解静电产生的基本规律，就很难准确预测材料在不同环境下会怎样带电，也很难有效控制这种现象。

尤其是在太空环境中，静电带来的问题可能更加严重。

地球大气中的湿度能够帮助一些电荷逐渐消散，但月球等缺乏大气和水分的环境完全不同。

月球表面的尘埃颗粒非常细小，而且容易附着在物体表面。

当宇航员在月面移动时，衣服和鞋子与月壤接触可能导致电荷积累。带电的月尘可能黏附在宇航服上，甚至被带进航天器内部。

对于未来的月球探测任务来说，这并不是一个小问题。

如果月尘大量附着在探测车车轮、太阳能电池板或者设备表面，就可能影响设备运行。

如果宇航员自身带有静电，也可能在接触精密设备时发生放电。

NASA未来的阿尔忒弥斯计划因此也需要考虑静电以及月尘带来的影响。

如果科学家能够更加准确地预测不同材料在不同环境下如何带电，那么未来或许就能更好地控制这些问题。

但是，想建立一套适用于所有材料的统一理论，并没有想象中那么容易。

目前，科学家至少能够比较清楚地解释一种情况，那就是不同金属之间发生接触时的电荷转移。

不同金属束缚电子的能力不同。

电子从金属表面离开需要一定能量，这种与电子逸出相关的能量被称为功函数。

当两种不同金属接触时，由于它们的功函数不同，电子会发生重新分布，从而形成电荷差异。

这是静电研究中相对容易理解的一种情况。

但问题在于，现实世界中的材料远不只有金属。

塑料、橡胶、玻璃以及各种复杂聚合物的行为要复杂得多。

而恰恰是这些材料，让静电问题变得更加“顽固”。

最新实验正在帮助科学家发现更多影响因素。

研究人员利用声学悬浮技术研究完全相同的玻璃颗粒，结果发现，即便这些玻璃珠在材料组成上没有明显区别，它们带电的方式却可能不同。

有些玻璃珠每次碰撞后都会倾向于带负电，而另一些玻璃珠却可能稳定地带正电。

为什么？

如果材料完全一样，那么理论上它们的行为应该相似。

但实验结果却告诉科学家，问题可能藏在肉眼看不到的地方。

研究人员随后尝试对玻璃珠进行加热清洁。

他们把玻璃颗粒加热到大约200摄氏度，再让它们冷却。

结果出现了明显变化。

经过这种处理之后，一些玻璃珠在与未经处理的表面接触时，几乎总是倾向于带负电。

进一步观察发现，加热过程实际上清除了附着在玻璃表面的碳质化合物。

这些物质并不是玻璃本身的一部分，而是来自周围环境。

换句话说，一层极薄、极不起眼的表面污染物，竟然可能改变材料的静电行为。

科学家有时甚至用一个非常形象的词来称呼这些东西——“schmutz”，可以理解为附着在表面的杂质或脏东西。

它们无处不在。

空气中的有机分子会不断附着在各种物体表面。

我们看不到它们，也不会感觉到它们的存在。

可是对于静电实验来说，它们可能就是决定结果的重要因素。

这也解释了为什么过去的一些静电实验很难重复。

研究人员可能以为自己拿的是“完全相同”的材料，但事实上，两块材料的表面状态可能已经不同。

它们经历过不同的清洁过程，接触过不同的空气环境，表面粗糙程度也可能略有差异。

甚至过去曾经被碰过多少次，都可能影响下一次实验的结果。

研究人员还发现，材料的“经历”本身可能成为影响带电行为的因素。

对于某些聚合物而言，一个材料此前与其他物体接触过多少次，会影响它之后再次接触时带上什么电荷。

这意味着，一个物体并不是每一次接触都像“第一次”。

它过去经历过什么，也可能被某种方式保留在表面状态中。

除此之外，湿度、温度、表面粗糙程度、材料的形状和大小，以及两个物体究竟是轻轻接触、相互摩擦还是发生滚动接触，都可能改变最终的带电结果。

甚至在金属之间，事情也没有看起来那么简单。

研究人员发现，一个金属球撞击另一块金属表面时，碰撞速度也会影响电荷转移。

速度越快，碰撞时材料发生的微小形变可能越明显，真正发生接触的面积也可能随之增加。

接触面积发生变化，转移的电荷数量也可能改变。

这意味着，即使研究对象是看起来最简单的两个金属物体，静电依然可能受到很多细节影响。

于是，一个原本看起来非常简单的问题，逐渐变成了一张庞大的关系网。

什么东西发生了转移？

是什么力量推动电荷转移？

材料表面有什么？

表面是否粗糙？

空气湿度是多少？

温度如何？

两个物体碰撞的速度是多少？

它们过去接触过多少次？

所有这些因素都可能共同影响最终结果。

一些科学家认为，如果想建立真正统一的静电理论，至少需要把问题拆成几个部分。

首先必须弄清楚“转移机制”，也就是电荷到底以什么形式从一个物体移动到另一个物体。

其次要找到真正推动这种转移的因素。

最后还必须考虑环境和材料表面的各种影响。

只有把这些因素全部纳入考虑，才可能建立一个能够解释不同材料、不同环境和不同实验条件的统一框架。

但这件事情可能还需要很多年。

甚至有科学家认为，静电最终可能不会存在一个简单漂亮的答案。

因为它本身就是一个高度复杂的现象，可能受到太多变量共同影响。

这也正是静电研究令人着迷的地方。

科学家已经研究它几个世纪，却依然能够不断发现新的问题。

从古希腊开始，人类就注意到了摩擦后的琥珀能够吸引轻小物体。

“电”这个词本身，就与希腊语中的琥珀有关。

到了近代，本杰明·富兰克林等科学家进一步研究电现象，并通过实验揭示闪电与电之间的关系。

然而，几个世纪过去之后，我们仍然无法彻底解释最普通的“摩擦起电”。

这听起来似乎有些不可思议。

我们已经能够制造量子计算机、探测数十亿光年外的宇宙、把机器人送上火星，却仍然会被一只气球摩擦头发后为什么带电这样的问题难住。

但科学的发展本来就是如此。

越是看似简单的现象，有时越可能隐藏着复杂的基本规律。

最近几年，静电研究正在重新获得关注。

不同领域的科学家开始更加频繁地交流。

物理学家关注电荷和电子，化学家研究材料表面，工程师则更关心静电在工业环境中的实际影响。

过去，这些研究可能彼此分散。

如今，越来越多研究人员开始意识到，如果想真正解决静电问题，需要把不同领域的知识拼到一起。

就像一幅巨大的拼图。

每一个实验可能只揭示其中很小的一块。

有的研究告诉我们材料表面的碳质分子很重要，有的研究发现材料此前的接触历史会产生影响，还有的研究说明碰撞速度和接触面积同样不能忽视。

这些结果单独来看似乎都很零散。

但当它们逐渐被放到一起之后，一个新的图景开始浮现出来：

静电可能从来都不是一个简单的“摩擦一下，电子就跑过去”的故事。

它可能是材料内部、表面结构和外部环境共同作用后的复杂结果。

这也是为什么科学家现在越来越重视实验条件的精确控制。

过去，如果两次实验结果不同，人们可能认为其中一次存在错误。

但现在研究人员开始意识到，结果不同并不一定意味着实验失败，也可能意味着两个实验实际上并没有真正处于相同条件。

空气中的湿度不同一点，材料表面多了一层极薄的有机物，碰撞速度发生一点变化，甚至一个材料过去被接触过多少次，都可能让结果发生改变。

当这些细节被控制起来之后，一些过去看起来无法重复的现象反而开始变得更加稳定。

这意味着，静电研究正在从“观察奇怪现象”，逐渐进入更加精细的实验阶段。

科学家希望有一天能够做到：给定一种材料、一个环境和一组具体条件，就可以比较准确地预测它会带上什么电荷，以及电荷会积累到什么程度。

如果真的实现这一目标，它带来的影响可能远远超过解决一个物理学难题。

工业生产可以更加有效地控制静电。

电子设备可以得到更好的保护。

药品制造过程中可能减少静电造成的问题。

航天器和月球探测设备也可以更好地应对带电尘埃。

甚至在一些自然现象的研究中，人们也可能获得新的认识。

当然，这一天距离现在仍然很远。

有科学家估计，如果要真正建立能够覆盖各种材料的统一理论，可能还需要十年甚至更长时间。

也有人认为，静电本身过于复杂，最终的理论或许不会像教科书公式那样简单明了。

但无论最终答案是什么，科学家至少已经开始找到一些关键线索。

现在我们知道，材料表面并不是一个“什么都没有”的平面。

它可能覆盖着来自环境的分子和化合物，这些看不见的物质会改变材料的带电行为。

我们也知道，一个物体过去经历过什么，可能会影响它下一次接触时发生什么。

我们还知道，湿度、温度、粗糙程度、形状、碰撞速度以及接触方式，都可能成为静电谜题中的重要变量。

也许真正的答案并不是藏在某一个神奇的粒子里。

它可能分散在无数微小的细节之中。

就像科学家们现在越来越清楚地认识到的那样，静电之所以难以解释，并不是因为它遵循某种完全无法理解的规则，而是因为我们过去低估了它的复杂程度。

我们每天都能感受到静电，却很少真正注意它。

一件衣服、一只气球、一块塑料、一粒灰尘，甚至月球上的一颗尘埃，都可能成为这场微小电荷游戏的一部分。

而科学家现在正在做的，就是把这些看似零散的现象一个个拆开，再重新拼起来。

或许还要很多年，我们才能真正弄清楚静电究竟为什么会发生。

但至少，这个几百年来一直没有被彻底解开的谜团，正在一点点变得清晰。

我们以为自己早已熟悉静电，其实直到今天，人类仍在学习它最基本的规则。

而这或许正是科学最有意思的地方：那些看起来最普通、最熟悉的现象，有时恰恰隐藏着最值得探索的秘密。

原文：https://www.sciencenews.org/article/static-electricity-is-a-mystery

静电这么常见，科学家却还没完全弄明白最先出现在咕咕猫。

今天的粒子物理学已经告诉我们，所谓“质子由三个夸克组成”，实际上只是对质子最基础的一种近似描述。真正的质子并不是三个夸克安安静静地挤在一个小球里面，而更像是一个持续处于剧烈量子涨落之中的系统。除了通常所说的三个价夸克之外，质子内部还存在大量胶子，以及不断产生和湮灭的夸克—反夸克对。换句话说，当我们说一个质子“里面有两个上夸克和一个下夸克”时，这只是它最稳定、最容易理解的量子组成方式，而不是质子全部的内部内容。量子色动力学，也就是描述强相互作用的理论，所描绘的质子远比教科书里的“三夸克模型”丰富。

这种差别非常重要，因为质子的许多性质其实并不能简单地归因于那三个价夸克。比如质子的质量大约是0.938 GeV/c²，但构成它的两个上夸克和一个下夸克的裸质量加起来，只占质子总质量的一小部分。质子绝大部分质量来自夸克和胶子的运动能量，以及强相互作用场本身所携带的能量。也就是说，我们日常接触到的物质质量，很大程度上并不是来自“粒子本身有多重”，而是来自量子场内部复杂的动力学过程。

这也是为什么质子一直是现代物理学中一个看似熟悉、实际上仍然充满谜团的对象。我们已经知道夸克和胶子的存在，也知道它们受到强相互作用控制，但真正要从量子色动力学的基本方程出发，把质子的完整内部状态精确计算出来，却是一件极其困难的事情。强相互作用与电磁相互作用有一个非常不同的特点：在高能尺度下，夸克和胶子的相互作用反而可以变得相对容易处理，而到了质子这种低能、强耦合的尺度，理论计算会迅速变得复杂。

如果把质子想象成一间房子，那么传统的三夸克图像只告诉我们房间里住着三个主要成员，却没有告诉我们房间里同时存在着怎样的场、怎样的能量交换，以及各种短暂出现的量子涨落。胶子并不是简单意义上的“胶水”，它们本身也是量子场的激发，同时还能够彼此相互作用。胶子还可以产生夸克和反夸克对，而这些夸克又能够发射胶子，于是质子的内部形成了一个不断变化的量子网络。

在这个意义上，质子更接近一个动态的量子态，而不是一个拥有固定内部零件的微型机械装置。

量子力学最反直觉的一点就在这里：一个粒子的内部状态并不一定能够被简单地分解成几个确定不变的组成部分。在不同的实验能标下，我们观察到的质子甚至可能呈现出不同的“内部面貌”。当实验使用更高能量、更短波长的探针去撞击质子时，就相当于把观察镜头进一步拉近。在这种情况下，原本看起来相对简单的质子，会显露出越来越丰富的部分子结构。研究者在高能碰撞中观察到的，并不仅仅是三个价夸克，还包括大量胶子以及各种海夸克和反夸克。

这里的“海”是一个非常形象的比喻。三个价夸克像是质子的基本骨架，而胶子和不断出现的夸克—反夸克对则像一片不断翻腾的量子海洋。它们并不是以经典物理意义上的方式永久存在于某个固定位置，而是质子量子波函数的一部分。随着观察尺度和能量的改变，我们能够解析出不同层次的内部结构。

更令人惊讶的是，这种量子化程度可能比过去的直觉还要深。

在经典世界里，我们习惯认为一个东西要么存在，要么不存在，一个粒子要么处在某个状态，要么处在另一个状态。但量子系统并不遵守这种简单的二选一逻辑。质子的内部可以同时包含不同的量子成分，而这些成分之间还可能存在纠缠和强烈的量子关联。近年来，研究人员已经开始从量子信息的角度重新研究质子，试图理解其中夸克和胶子之间的纠缠究竟有多强，以及这种量子关联如何影响质子的整体性质。理论研究显示，胶子的加入可以显著增强质子内部不同部分子之间的纠缠，这意味着质子的内部结构不仅是“复杂”，还可能是高度关联的量子系统。

这实际上改变了我们理解质子的方式。

过去，我们经常把粒子理解为一个个独立的“小球”，然后再研究这些小球之间如何相互作用。但在量子场论中，这种图像只是近似。真正基本的对象是量子场，而我们所谓的粒子，是这些场在特定条件下表现出来的激发。质子本身则是由夸克场和胶子场通过强相互作用形成的一个束缚态。

因此，如果一定要给质子画一张内部结构图，那么画面不应该是一颗小球里面整齐排列着三个更小的小球，而应该更接近一团不断变化的量子波函数。夸克、反夸克和胶子共同构成这个量子态，它们的能量、动量、自旋以及颜色荷彼此关联。我们最终测量到的质子电荷、质量、自旋和磁矩等宏观性质，都是这整个复杂量子系统共同作用后的结果。

质子的自旋就是一个经典例子。

按照最简单的想象，既然质子由三个夸克组成，那么质子的自旋似乎应该主要来自这三个夸克的自旋。然而实验很早就发现，事情并没有这么简单。上世纪80年代欧洲缪子合作组的一项实验曾经带来震动性的结果：三个价夸克的自旋并不能解释质子全部的自旋。随后几十年的研究逐渐表明，胶子的自旋贡献、夸克的轨道角动量以及其他量子效应都参与其中。直到今天，物理学家仍然在努力更加精确地厘清质子自旋究竟是如何由内部各种成分共同产生的。

这说明，一个看起来非常简单的宏观量子数，实际上可能来自内部大量量子自由度之间的复杂组合。

甚至连“质子里面到底有哪些夸克”这个问题，都比过去想象得复杂。

我们熟悉的说法是，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。但量子色动力学允许胶子产生夸克—反夸克对，因此质子内部还会出现所谓的海夸克。轻夸克相对容易理解，而更加令人惊讶的是，一些质量比质子本身还大的重夸克，在特定的量子描述下也可能参与质子的波函数。

其中一个长期受到关注的问题，就是质子是否具有所谓的“内禀粲夸克”。粲夸克的质量大约是质子的数倍，因此乍看之下，很难想象这样一个沉重的夸克能够成为质子内部量子状态的一部分。但量子力学并不允许我们仅凭经典质量直觉做出判断。过去几十年来，理论学家一直讨论这种可能性，而实验上要把它与高能碰撞过程中由胶子辐射产生的粲夸克区分开，同样非常困难。

2022年，一项基于大量实验数据和机器学习分析的研究给出了质子存在内禀粲夸克的证据。研究人员通过全球数据分析尝试区分两种不同来源：一种是高能过程中的普通量子辐射产生的粲夸克，另一种则是更深层意义上属于质子波函数的内禀成分。研究结果为质子内部存在内禀粲夸克提供了统计学证据。

这个结果之所以引人关注，并不是因为科学家突然发现质子里面“藏着一个小粲夸克”，而是因为它进一步说明，质子的内部状态不能简单地理解为固定的三个基本夸克。质子的量子波函数可能包含比传统图像丰富得多的成分，而且这些成分在不同尺度下以不同方式显现出来。

这也带来了一个更深层的问题：我们究竟应该如何定义“质子里面有什么”？

在经典物理里，这个问题似乎非常简单。打开一个盒子，看看里面有什么即可。但在量子场论中，答案与观察方式密切相关。你用什么能量去探测、在什么尺度上观察、选择什么理论框架描述，都可能决定你看到质子的哪一层结构。

在低能尺度下，我们可以把质子看成一个稳定的复合粒子；在更高能量下，它则呈现出丰富的部分子结构；继续提高分辨率，还可以观察到更多胶子和夸克—反夸克成分。因此，说“质子由三个夸克组成”并不是完全错误，而是类似于说“人体由器官组成”。它在某一个层次上成立，但如果继续追问器官由什么组成，细胞由什么组成，细胞内部又发生什么，那么原来的描述就远远不够了。

质子的“量子性”也并不只是意味着它内部存在一些量子粒子。更加关键的是，它的整体性质本身就是一个量子态的结果。夸克与胶子不能被完全当作相互独立的对象，它们之间存在相互作用、关联和纠缠。一个部分子的状态可能与其他部分子的状态紧密联系，因此不能简单地把整个质子看成若干个互不相关的小粒子的集合。

从这个角度看，质子甚至可以被理解成一种非常特殊的量子信息系统。它包含大量自由度，而这些自由度之间通过强相互作用联系起来。我们通常看到的是质子的整体属性，而实验真正做的事情，是通过碰撞、散射等手段从这些整体结果中反推出内部信息。

这也是粒子物理实验如此重要的原因。研究人员并不能像拆开机器一样直接把质子剖开，然后把夸克和胶子一个个拿出来。由于夸克受到强相互作用束缚，它们不会像电子那样被单独捕获。科学家只能让质子与电子、质子或者其他粒子发生高能碰撞，再根据碰撞产生的粒子、能量和角度分布，反推出质子内部可能发生了什么。

深度非弹性散射就是其中非常关键的方法。通过让高能电子撞击质子，研究人员能够探测质子内部的部分子结构。20世纪后期的实验正是通过这类方法发现质子内部存在类似点状组成部分的证据，并最终推动夸克—部分子图像成为现代粒子物理学的重要基础。

但每一次分辨率的提高，似乎又会带来新的问题。

我们原本以为质子内部可以用三个夸克解释，后来发现还有胶子；发现胶子之后，又发现海夸克；进一步研究后，又出现了关于重夸克内禀成分的问题。现在，研究人员又开始认真讨论量子纠缠、信息熵以及质子波函数中不同自由度之间的关联。

这意味着，质子并不是一个已经被完全破解的古老问题。恰恰相反，它可能是研究量子世界最重要的天然实验室之一。

特别有意思的是，质子的复杂性并没有妨碍我们建立高度精确的现代物理学。恰恰相反，正是因为我们越来越了解质子的内部结构，科学家才能更准确地预测大型粒子对撞机中的各种过程。质子内部夸克和胶子的分布通常通过所谓的部分子分布函数来描述，这些函数对于计算大型强子对撞机中的碰撞概率至关重要。换句话说，如果我们对质子的内部结构理解得不够准确，那么很多高能物理实验的理论预测也会受到影响。

这也是为什么研究质子并不仅仅是为了满足好奇心。

当物理学家寻找超出标准模型的新粒子、新相互作用或者其他未知现象时，质子内部的结构就是一个必须控制的背景因素。如果连质子自身内部的量子涨落都没有描述准确，那么实验中出现的微小异常就很难判断究竟是新物理，还是我们对普通质子理解得还不够深入。

未来的实验可能会进一步把这个问题推向极限。更高精度的电子—离子碰撞实验，以及对质子结构的更精细测量，将帮助研究人员进一步研究夸克、胶子、动量、自旋和量子纠缠之间的关系。美国计划推进的电子—离子对撞机等设施，也正是为了以前所未有的精度观察质子和原子核内部的夸克—胶子结构。

因此，当我们再次看到一个质子时，或许不应该再把它想象成一个简单的、坚硬的微型小球。

它更像是一个被强相互作用束缚起来的巨大量子舞台。两个上夸克和一个下夸克只是最容易描述的主角，胶子构成了复杂的相互作用网络，夸克和反夸克不断参与量子涨落，而各种内部自由度又可能通过量子纠缠形成更加深层的联系。它的质量、磁矩、自旋乃至稳定性，都不是某一个单独成分的简单属性，而是整个量子系统共同作用的结果。

也许最值得注意的地方就在这里：我们已经知道质子存在了一个多世纪，也已经知道它由夸克和胶子组成了几十年，但这并不意味着我们真正“看懂”了质子。

相反，观察得越仔细，我们越会发现，这个看起来普通得不能再普通的粒子，其内部其实隐藏着一个极其复杂的量子世界。

而所谓“质子更加量子化”，真正令人惊讶的并不是说质子突然拥有了某种全新的量子属性，而是我们正在逐渐意识到，过去为了方便理解而建立起来的简单质子图像，很可能只是一个非常粗糙的近似。真正的质子，是一个由夸克、胶子以及量子涨落共同构成的动态束缚态。它没有一个永远固定不变的内部结构，也不能被简单拆成几个互不相关的零件。

从这个意义上说，人类熟悉质子的历史，其实也是不断推翻“质子很简单”这一想象的历史。每当实验技术向前迈进一步，我们就会看到新的层次；每当理论计算更加精确，我们又会发现新的关联。或许未来某一天，我们对质子的理解还会发生新的变化。

到那时，今天看起来已经足够复杂的质子，很可能仍然只是量子世界真正面貌的一部分。

原文：https://www.newscientist.com/article/2583917-the-proton-is-more-quantum-than-we-thought/

质子，远比想象中更量子最先出现在咕咕猫。

在传统的三维粒子物理学中，基本粒子通过其自旋的量子性质来分为费米子和玻色子。费米子的自旋值是半整数，如电子、质子和中子，而玻色子的自旋值则为整数，像光子和胶子。费米子不能在同一量子态中共存，这一现象也正是“泡利不相容原理”的体现。相比之下，玻色子则能够同时占据同一量子态，这也是光子能够自由穿透彼此的原因。

然而，这种在三维空间中的粒子划分在二维和一维空间中并不适用。在二维空间中，存在一种特殊的准粒子，称为“任意子”（anyon）。任意子的性质介于玻色子和费米子之间，具有不同的交换统计。在1960年代，物理学家就提出了这一概念，但直到2020年，科学家才在实验中观察到了任意子的存在。此次实验是在二维半导体材料中进行的，并成功证实了这种粒子的理论预测。对此，美国物理学家弗兰克·威尔切克表示，“玻色子和费米子已经被我们熟知，而现在，任意子为我们打开了新的一扇大门。”

此后，科学家们继续在这一领域取得进展，尤其是在低维空间中对任意子的探索。2020年，冲绳科学技术研究所（OIST）和俄克拉荷马大学的科学家们在一维空间中发现了任意子的存在，并在两篇《物理评论A》期刊上的论文中描述了其可调性和相关性质。这一研究为任意子的实验验证和理论发展提供了新的视角，揭示了在一维空间中粒子行为的独特性。

在研究中，科学家们发现，一维空间中粒子的运动受到了极大限制。这种限制使得粒子之间的交换因子（交换规则）与三维空间中的不同。在三维空间中，当两个粒子交换位置时，其交换因子通常是±1，分别代表玻色子和费米子的交换行为。然而，在二维和一维空间中，这一规则变得更加复杂，交换因子可以取介于-1和1之间的任何值，这使得任意子成为了可能。研究人员指出，这种现象的出现与粒子在低维空间中的局限性密切相关。

通过对这些新发现的粒子特性进行研究，科学家们不仅验证了任意子在一维空间中存在的可能性，还展示了如何调节这些粒子的交换统计特性。布什教授在新闻声明中表示：“我们不仅发现了在一维空间中存在任意子的可能性，还提出了如何控制它们交换统计的方法。这为我们理解量子世界的基本属性提供了新思路。”

这些研究表明，任意子作为第三类粒子，其存在和行为为我们深入理解粒子物理学提供了崭新的角度。它不仅挑战了我们对粒子分类的传统认知，也为未来的物理学研究提供了广阔的空间。随着对这一新类粒子性质的进一步探索，我们有理由期待它们为量子计算、物质科学以及基础物理学领域带来的革命性突破。

本文译自：popularmechanics，由olaola编辑发布

低维空间中的“第三界”粒子，任意子的发现与研究最先出现在咕咕猫。

一种原本被认为不可能出现的量子物质状态，竟然在一种“出乎意料”的材料中被观测到，这一发现正在迫使物理学家重新审视电子在材料中行为的基本前提。

这项由国际科研团队完成的研究，不仅在基础物理层面带来冲击，也被认为有潜力推动量子计算、提升电子器件效率，并为高灵敏度传感和成像技术铺路。

研究对象是一种由铈、钌和锡组成的化合物 CeRu₄Sn₆。此前理论预测，它在极低温条件下可能进入一种被称为“拓扑半金属”的特殊相，但这种状态是否真实存在，一直缺乏实验证据。如今，科学家首次在实验中捕捉到了这一现象。

当温度接近绝对零度时，CeRu₄Sn₆ 会进入所谓的“量子临界”状态。在这一极端条件下，材料不再稳定地处于某一相态，而是在不同相变边界之间徘徊，量子涨落占据主导地位。此时，电子的行为不再像独立的粒子，而更像是一片起伏不定的波动整体。

研究的关键突破在于，量子临界性并没有破坏电子的有序行为，反而促成了一种全新的量子态。传统观点认为，拓扑态依赖于清晰的粒子描述，而量子临界状态恰恰缺乏这种“粒子性”。然而，这项研究显示，两者并非互斥，而是可以在合适条件下共存，甚至相互强化。

美国莱斯大学的物理学家思启苗表示，这是一次根本性的进展。研究结果表明，强烈的量子效应可以协同作用，产生前所未有的物质形态，这可能对未来的量子科学发展产生深远影响。

在物理学中，拓扑学关注的是材料内部结构的几何特征。某些拓扑结构能够“保护”电子的性质，使其不易被杂质或相互碰撞所破坏。通常，人们需要将这些性质理解为类似粒子的行为，但在量子临界环境下，这样的描述原本被认为行不通。

然而，实验结果打破了这一认知。研究人员在对 CeRu₄Sn₆ 进行极低温冷却并通电后，观测到了一种异常的霍尔效应：电流在没有外加磁场的情况下发生了横向偏转。这种现象被认为是拓扑效应的明确标志，说明材料内部存在一种内在机制在引导电子运动。

维也纳工业大学的物理学家西尔克·比勒-帕申指出，正是这一发现，使研究团队能够确信，长期以来的主流看法需要修正。更令人意外的是，拓扑效应在电子分布最不稳定的区域最为强烈，量子临界涨落反而起到了稳定这种新相态的作用。

研究人员认为，这一结果填补了凝聚态物理中的一个重要空白，证明强电子相互作用不仅不会摧毁拓扑态，反而可能孕育出全新的拓扑量子相。这种状态不仅在理论上意义重大，也可能在实际应用中展现出独特优势。

接下来，团队计划在其他材料体系中寻找类似现象，以判断这种量子态是否具有更广泛的普适性。同时，他们也希望进一步解析其中的拓扑结构，并明确实现这种状态所需的精确条件。

思启苗总结说，这项工作不仅加深了人们对量子物质的理解，也为未来系统性探索和开发真正基于量子物理核心原理的技术迈出了重要一步。

来源：sciencealert（编译 / 整理：olaola）

全新量子态现身现实材料，推翻了以往“不可能存在”的判断最先出现在咕咕猫。