Есть вещи в физике, которые настолько фундаментальны, что их перестают даже обсуждать и просто принимают как данность. Одна из них звучит так - любая элементарная частица во Вселенной является либо бозоном, либо фермионом. Никаких исключений. Никакого «или», никакого «между».
Фотоны, переносящие свет, — бозоны. Электроны, из которых сделана материя, — фермионы. Эта дихотомия лежит в основе квантовой механики с 1920-х годов и объясняет буквально всё: почему два электрона не могут занимать одно состояние, почему лазер вообще возможен, почему атомы устойчивы.
И вот в начале 2026 года физики из Окинавского института науки и технологий и Университета Оклахомы опубликовали две статьи в Physical Review A, которые эту дихотомию разрушают.
Чтобы понять, что именно произошло, нужно вернуться к тому, откуда вообще берётся разница между бозонами и фермионами.
В трёхмерном пространстве, когда две одинаковые частицы меняются местами, их траектории через время можно топологически «размотать» — это эквивалентно тому, что ничего не произошло. Квантовая волновая функция при этом обмене либо не меняет знак (бозоны, фактор +1), либо меняет на противоположный (фермионы, фактор −1).
Третьего не дано — по крайней мере, не дано в трёх измерениях. Когда же система оказывается в пространстве меньшей размерности, обмен частицами становится принципиально иным: их движение более ограничено, а траектории могут образовывать сложные переплетения — косы, — которые нельзя распутать, не оставив следа в квантовом состоянии системы. Именно здесь и открывается лазейка для третьего класса.
С 1970-х годов теоретики предсказывали, что в двумерных системах должен существовать более широкий класс частиц — так называемые аньоны, у которых фактор обмена может принимать любое значение между +1 и −1. Само слово «anyon» — игра слов: «any-on», то есть «любая частица», которая не вписывается в привычный бинарный порядок. В 2020 году это предсказание подтвердилось экспериментально: аньонное поведение наблюдали на границе сверхохлаждённых, сильно намагниченных полупроводников толщиной в один атом. Но двумерные системы — это экзотика, достижимая лишь в очень специфических лабораторных условиях. Новая работа идёт дальше.
Авторы из OIST и Университета Оклахомы показали, что в одномерных системах деление на бозоны и фермионы также нарушается. Более того, они обнаружили нечто особенно интересное: фактор обмена в одномерном случае можно непосредственно регулировать — настраивать, как ручку на приборе. Механизм здесь другой, чем в двумерном случае: в одном измерении частицы не могут обойти друг друга, чтобы поменяться местами, — они вынуждены проходить сквозь друг друга, и именно это принципиально меняет их обменное поведение. Фактор обмена оказывается напрямую связан с силой короткодействующих взаимодействий между частицами: чем сильнее взаимодействие — тем дальше аньон отходит от бозонного или фермионного предела.
Это не просто теоретический изыск. Авторы впервые описали свойства одномерных аньонов и предложили конкретный рецепт их наблюдения с использованием уже существующих экспериментальных установок на ультрахолодных атомах. То есть речь идёт о вещах, которые можно будет увидеть в лаборатории в ближайшие годы, а не в отдалённой перспективе.
Но что это означает концептуально — вот вопрос, который физикам ещё предстоит переварить. На протяжении почти ста лет квантовая механика строилась на молчаливом допущении: фундаментальный бинарный порядок частиц — это свойство не теории, а самой реальности. Принцип запрета Паули, по которому два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, — это не правило, это закон природы.
И вот оказывается, что это «закон природы» справедлив лишь при условии, что мы живём в трёх измерениях. В одном или двух измерениях природа играет по другим правилам, и между абсолютным запретом и абсолютным разрешением существует целый континуум промежуточных состояний.
Практически сразу встаёт вопрос о квантовых вычислениях. Аньоны в двумерных системах уже несколько лет рассматриваются как основа топологических квантовых компьютеров — устройств, в которых информация хранится в топологических свойствах переплетённых траекторий частиц и потому принципиально защищена от ошибок. Одномерные аньоны с настраиваемой статистикой открывают ещё один потенциальный инструментарий — более гибкий и, возможно, более доступный экспериментально. Как отмечает профессор Буш, руководящий квантовым отделом OIST, новый способ интерполяции между бозонами и фермионами в одном измерении открывает возможность пересмотреть множество давних вопросов квантовой физики под новым углом и углубить понимание фундаментальной структуры квантового мира.
Есть в этой истории и нечто, что выходит за рамки конкретного результата.
Физики очень долго жили с убеждением, что топология — раздел математики, занимающийся свойствами пространства, которые не меняются при непрерывных деформациях, — это красивый, но абстрактный инструмент.
Потом выяснилось, что топология определяет устойчивость целых фаз вещества. Теперь оказывается, что она определяет саму классификацию частиц — то, к какому типу они принадлежат, зависит от геометрии пространства, в котором они существуют.
Это не просто поправка к учебнику. Это сигнал о том, что наш трёхмерный мир — лишь один из возможных, и физика в нём лишь частный случай чего-то более общего.
Свежие новости физики с авторской оценкой и моими комментариями регулярно.
⚠️ Поставьте лайк и подпишитесь, чтобы не пропускать обновления! Это поможет каналу развиваться, а вам видеть больше интересного из мира физики!