2026年,維也納工業(yè)大學的物理學家捅出了一個大簍子。

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

電子,到底是不是粒子?

這聽起來像個哲學問題,但它關系到量子計算、暗物質探測、新型傳感器,甚至是未來科技的方向。而維也納團隊的發(fā)現(xiàn)告訴我們:我們對物質的理解,可能從根子上就錯了。

粒子圖像:一個意外堅挺的錯誤

物理學有個基本假設:電子是粒子。

當我們描述電流如何在金屬中流動時,腦子里想的是無數(shù)個小球在材料里飛奔,被電磁場加速或偏轉。這個圖景簡單直觀,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撲態(tài)理論,也建立在這個粒子圖景之上。拓撲態(tài)的核心概念是:粒子的速度、能量,甚至自旋方向和運動方向的關系,都遵循特定的幾何規(guī)則。

"用拓撲來描述粒子行為看起來很抽象,但傳統(tǒng)理論仍然間接依賴經典的粒子圖景,"維也納工業(yè)大學固體物理研究所的西爾克·比勒-帕申教授說,"這些理論假設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假設。

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,因為量子力學告訴我們,粒子的行為像波,它們的位置本質上是不確定的。

而維也納團隊研究的材料,恰恰屬于這一類。

一種在兩個狀態(tài)之間瘋狂搖擺的材料

這種材料由鈰、釕和錫組成,化學式是CeRu?Sn?。

當溫度降到接近絕對零度時,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,準粒子圖景被認為失去了意義,"論文第一作者戴安娜·基爾施鮑姆說。

準粒子是物理學家為了描述復雜系統(tǒng)而發(fā)明的概念。在普通材料里,電子雖然相互作用復雜,但仍然可以近似看作獨立運動的"準粒子"。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,這種材料不應該有任何拓撲性質,因為拓撲態(tài)需要粒子圖景作為基礎。

然而,理論物理學家通過計算預測:這種材料應該具有拓撲態(tài)。

這就形成了一個明顯的矛盾。

一次好奇心驅動的賭博

面對這個矛盾,比勒-帕申團隊一開始很猶豫。

理論預測和實驗常識相互沖突。按照常識,一個連粒子圖景都不成立的材料,怎么可能有拓撲性質?去驗證這個預測,很可能是浪費時間。

但最終,好奇心戰(zhàn)勝了謹慎。

戴安娜·基爾施鮑姆開始尋找拓撲態(tài)的實驗證據(jù)。她把材料冷卻到距離絕對零度不到1度的極低溫,然后觀察它的電學性質。

結果讓所有人震驚。

她觀察到了一種明確指向拓撲態(tài)存在的現(xiàn)象:自發(fā)霍爾效應。

霍爾效應是這樣的:通常情況下,電流在磁場中會被偏轉。但在拓撲材料中,即使沒有外加磁場,電流也會自發(fā)偏轉。這是拓撲性質的標志性特征。

在CeRu?Sn?里,霍爾效應清晰可見。

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失效了。

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

波動越劇烈,拓撲效應越強

更讓人震驚的發(fā)現(xiàn)還在后面。

基爾施鮑姆發(fā)現(xiàn),拓撲效應最強的地方,恰恰是材料波動最劇烈的地方。當用壓力或磁場抑制這種波動時,拓撲性質反而消失了。

這完全顛覆了物理學家的直覺。

按照傳統(tǒng)理論,拓撲態(tài)應該在材料處于穩(wěn)定、有序狀態(tài)時出現(xiàn)。但CeRu?Sn?告訴我們:拓撲態(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)時出現(xiàn)。

"這太令人震驚了,"比勒-帕申說,"它表明拓撲態(tài)應該以更廣義的方式定義。"

團隊將這種新發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)命名為"涌現(xiàn)拓撲半金屬",并與德克薩斯州萊斯大學合作。萊斯大學的雷·陳(論文共同第一作者)在齊妙教授的團隊中開發(fā)了一個新的理論模型,能夠將量子臨界性和拓撲性結合起來。

"事實證明,產生拓撲性質并不需要粒子圖景,"比勒-帕申說,"這個概念確實可以推廣,拓撲區(qū)分可以以更抽象、更數(shù)學化的方式出現(xiàn)。而且不止如此:我們的實驗表明,拓撲性質甚至可能正是因為類粒子態(tài)的缺失而產生。"

從蘋果、面包和甜甜圈說起

要理解拓撲態(tài),得先理解拓撲是什么。

拓撲來自數(shù)學,用來區(qū)分不同的幾何結構。比如,蘋果和面包在拓撲上是等價的,因為你可以把面包連續(xù)變形成蘋果的形狀。但面包和甜甜圈在拓撲上不同,因為甜甜圈有個洞,這個洞無法通過連續(xù)變形創(chuàng)造出來。

類似地,物質的狀態(tài)也可以用拓撲來描述。粒子的速度、能量,甚至自旋方向與運動方向的關系,都可以遵循特定的幾何規(guī)則。

拓撲性質的強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,就像小的變形無法把甜甜圈變成蘋果一樣。

這就是為什么拓撲效應在量子信息存儲、新型傳感器、無磁場控制電流等領域有巨大應用價值。

但傳統(tǒng)理論認為,拓撲態(tài)需要粒子圖景作為基礎。維也納的發(fā)現(xiàn)打破了這個限制。

重寫教科書的時刻

這個發(fā)現(xiàn)有重要的實際意義。

它指向了一種全新的尋找拓撲材料的策略。"我們現(xiàn)在知道,在量子臨界材料中尋找拓撲性質是值得的,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)系可能讓科學家發(fā)現(xiàn)許多新的"涌現(xiàn)"拓撲材料。

對于量子計算、暗物質探測、新型電子器件來說,這都是重大利好。傳統(tǒng)的拓撲材料搜索范圍被局限在那些符合粒子圖景的材料中,但現(xiàn)在,整個量子臨界材料家族都成了潛在的候選者。

搜索空間擴大了一個數(shù)量級。

物理學的邊界再次被推開

這個發(fā)現(xiàn)再次證明:物理學的邊界遠比我們想象的更廣闊。

我們以為拓撲態(tài)需要粒子,結果發(fā)現(xiàn)不需要。我們以為量子臨界態(tài)和拓撲態(tài)不能共存,結果它們不僅能共存,還能相互增強。我們以為物質的有序態(tài)才能展現(xiàn)拓撲性質,結果最混亂的波動態(tài)反而拓撲效應最強。

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。

這不是哲學玩笑,這是實驗事實。

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

而這一切,都始于一個研究團隊在好奇心驅使下的一次賭博。他們本可以忽略那個矛盾的理論預測,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)了一個全新的物質狀態(tài)。

物理學的下一場革命,可能就藏在那些看起來"不可能"的矛盾中。

而維也納團隊告訴我們:當理論和常識發(fā)生沖突時,去實驗室看看,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