最近，物理學(xué)家們卻制造出了第一臺所謂的“好像能產(chǎn)生負質(zhì)量粒子”的粒子發(fā)生器。

導(dǎo)語：負質(zhì)量？顧名思義，即物質(zhì)質(zhì)量為負數(shù)。作為天文物理學(xué)的一個術(shù)語，負質(zhì)量曾被天文學(xué)家用來描述宇宙的創(chuàng)生和演化：正質(zhì)量區(qū)域是力學(xué)穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生劇變式的爆炸。而當(dāng)這種區(qū)域質(zhì)量為負時大爆炸就會發(fā)生。這乍一聽似乎與我們相去甚遠，然而最近，物理學(xué)家們卻制造出了第一臺所謂的“好像能產(chǎn)生負質(zhì)量粒子”的粒子發(fā)生器。

圖|來源：羅契斯特大學(xué)

該裝置會產(chǎn)生一個半光子/半物質(zhì)粒子的奇異粒子。聽起來好像不是那么酷，但它可能會為未來新型激光器的研制打下基礎(chǔ)。這種新型激光器能以耗能比現(xiàn)有技術(shù)低得多的功率工作。

這一最新成果是建立在最近一種被稱為極化子行為的理論基礎(chǔ)之上的，極化子（polariton）似乎具有負質(zhì)量——這是一種令人興奮的屬性，它能使物體向推動力來源的方向移動，而不是像正常情況一樣被推開。

現(xiàn)在，來自羅契斯特大學(xué)的物理學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造出了前文提及的這種能在室溫下生成極化子的粒子發(fā)生裝置。

通過操縱被捕獲的光子，并把它們與一種被稱為激子（exciton）的準粒子結(jié)合起來，科學(xué)家們成功制出了一些被稱為“魔幻塵?！钡陌牍?半物質(zhì)粒子。

不過，來自羅契斯特光學(xué)研究所的量子物理學(xué)家Nick Vamivakas說，這些“魔幻塵?！眱H能算作一項“物理學(xué)領(lǐng)域里的有趣且令人興奮的新成果”。“但是，在這次實驗中我們也發(fā)現(xiàn)，我們創(chuàng)造的這臺設(shè)備為科學(xué)家提供了一種產(chǎn)生功率可衰減激光的新方法?！?/span>

在深入研究激光之前，讓我們先搞清楚這個“魔幻塵?！睒O化子到底是什么。正如我們之前所說，產(chǎn)生極化子的過程包括一個將光子與被稱為激子的準粒子相結(jié)合的步驟。

如果把所有粒子比作一個樂團的話，那么這個樂團中就有諸如電子、夸克以及光子等各種不同的部分。

但嚴格來說，準粒子不能算是這其中單獨的一部分。相反，它們綜合了其他粒子的各種行為，就像是單簧管和長笛的和聲。

它們的組態(tài)就像離散的顆粒狀物體一樣，因此它們通常用于相同的目的。所謂的準粒子其實就叫做激子，它由一個電子加上一種叫做電子空穴的空隙組成。

圖|電子空穴對

二者被庫侖力綁定在一起，而這種庫侖力通常是在光線與某些物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的。在這項研究中，這種與光作用的物質(zhì)恰好是由二硒化鉬制成的原子級超薄半導(dǎo)體。

研究人員將半導(dǎo)體與光學(xué)微腔耦合在一起，從而構(gòu)成了一個微小的鏡像走廊，用來使特定頻率的光形成駐波。這一過程會將激子的特性與光的駐波組合起來，以形成極化子。

這樣的準粒子并不是全新的。但據(jù)研究人員介紹，目前為止，大多數(shù)有關(guān)極化子的工作都只是在由中性激子和光子構(gòu)成的準粒子上進行，而不會在其他復(fù)合體上進行。

這種新設(shè)備使研究人員能夠探測不同種類的極化子之間的相互作用。事實證明，這些相互作用非常奇怪。

圖|排斥的極化子

Vamivakas說：“通過使激子放棄一些光子特性來產(chǎn)生極化子，我們最終會得到一個與之相關(guān)的負質(zhì)量物體。”

負質(zhì)量是一個很難理解的概念，關(guān)鍵是要結(jié)合周圍環(huán)境來考慮它的作用。

質(zhì)量往往被視為對某種力量的阻抗或回應(yīng)。比如，推動和停止質(zhì)量相對大的保齡球當(dāng)然要比質(zhì)量輕的彈珠更難。

在這種情況下，呈現(xiàn)出負質(zhì)量性質(zhì)的物體（例如極化物質(zhì)）將會表現(xiàn)出令人意料不到的效果。

Vamivakas說：“這種性質(zhì)確實會令人摸不著頭腦，因為如果你試圖推或拉負質(zhì)量物體，它的運動方向會和你起初預(yù)料的方向完全相反?！?/span>

不過，這項性質(zhì)可能會有一些令人興奮的應(yīng)用，其中之一就是電磁輻射的受激發(fā)射。換一種更容易理解的說法：就是使光子在激光中排列起來。

Vamivakas說：“利用這種設(shè)備生成的極化子，我們獲取可供操作的激光的方式已經(jīng)完全不同了?！睒O化子可以協(xié)助產(chǎn)生低能量輸入的激光，這表現(xiàn)了其負質(zhì)量特性。

準粒子可能還不能算是粒子家族中的正式成員，但它們絕對是值得我們密切關(guān)注的奇異現(xiàn)象。

近年來，準粒子在粒子物理的其他領(lǐng)域已經(jīng)成為了焦點新聞，在量子計算等技術(shù)應(yīng)用中也顯示出了廣泛的潛力?；蛟S有朝一日，這種半光半物質(zhì)的“魔幻塵?！睂⒊蔀橐环N全新的超級計算機的基石。

編輯 | 褚茗帆

審校 | 星亦

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