《蚁人》的微观—宏观世界观能实现吗？
基础科学研究院成功在可见物质中观测到准粒子
【亚洲经济 金奉洙 记者】韩国国内研究团队确认，在被认为只会发生于适用量子力学的微观世界中的现象，其实也会在宏观世界中出现。
流体力学晶体的计算机模拟。 在流体力学晶体中，粒子对（最左侧的橙色和黄色粒子）使后方的粒子发生振荡，从而产生类粒子，这些类粒子像在超音速喷气机尾部所能看到的那样，以圆锥形扩散生成。 *颜色表示粒子对的强度（相邻粒子间距离最近的蓝色强度最大，其次是红色、黄色、白色，距离逐渐增大、强度逐渐减弱），而白色背景表示它们的速度。 图片提供=基础科学研究院
View original image基础科学研究院（IBS）26日表示，由朴赫圭（Park Hyukkyu）先进软物质研究团研究委员（蔚山科学技术院·UNIST物理学系教授）和 Zvi Tlusty 课题组组长（UNIST物理学系教授）带领的研究团队发现，在肉眼可见的宏观世界中，粒子会成对运动。
迄今为止，人们一直认为此类现象只会在适用量子力学的微观世界中发生。该研究结果暗示，在微观世界中观测到的多种奇特量子力学现象也有可能存在于宏观世界。自量子力学诞生以来，物理学被划分为经典物理学和量子物理学。经典物理学研究肉眼可见物体如何运动等宏观世界的问题，而量子物理学则研究构成物质的最小基本粒子——如原子、电子等极其微小世界中发生的独特现象。
例如，在固体或液体这类物质中，构成粒子之间的距离很近，相互作用很强。在适用量子力学的条件下，会出现构成粒子聚集在一起的独特集体现象，这被称为“准粒子（quasiparticle）”。借此，可以将由强相互作用粒子组成的体系，简化为由不发生相互作用的准粒子所构成来加以描述。典型的准粒子包括库珀对（两个电子成对结合的现象）、激子（电子与空穴的束缚态）、声子等。这类集体现象在适用量子力学的条件下会表现出奇特性质，如在低温下电阻完全消失的超导体、液体黏度消失的超流体、以及石墨烯的特性等。科学家们原本认为，在宏观世界中，由于类似电子这样的构成粒子不断发生碰撞，准粒子不可能存在。因此，迄今为止，准粒子一直被视为只在量子物理学中被观测或利用的概念。
然而，研究团队通过实验与理论研究，在肉眼可见的物质中发现了粒子成对运动的惊人现象。他们关注的是由胶体粒子组成的粒子体系，该体系被限制在厚度极薄的微流体通道中（即液体在两块薄板之间流动）。研究发现，在通道厚度与粒子尺寸相近的二维粒子体系中，运动速度比液体慢的粒子会影响到邻近的其他粒子，从而使粒子彼此配对。其原因在于，一个粒子会受到由另一粒子运动所产生的流体力学作用力，就好比我们在水中即使闭着眼，也能感受到近距离经过的人的移动所引起的液体流动。
朴研究委员表示：“粒子结成对的原因在于，由流体力学相互作用产生的两粒子间作用力打破了牛顿第三定律（作用力与反作用力定律：相互作用的两力大小相等、方向相反），两粒子所受流体力学作用力的大小和方向相同，因此会结成一对，像一个粒子那样运动。”
研究团队不仅确认了粒子成对运动的现象，还通过实验确认了流体力学声子的存在。当构成固体的原子因受热而振动时，被量子化的准粒子“声子”会将热能在整个晶体中传播。类似地，流体力学作用力会使规则排布的宏观粒子晶体中的粒子发生振动，从而产生流体力学声子。对由流体力学作用力生成的声子进行分析后，研究团队还发现，出现了仅在石墨烯中才能看到的特定能带结构。
研究团队还在肉眼可见的粒子晶体中发现了此前只在量子物质中被观测到的平带（flat band）。当两层具有六边形蜂窝状二维晶体结构的石墨烯以特定角度叠加时，会因平带而出现无电阻的超导现象。研究团队确认，当将肉眼可见的粒子晶体结构制成六边形时，会出现准粒子和平带现象。这是首次证明，像准粒子、平带这类量子物质中的重要现象，有助于理解宏观世界。
朴研究委员表示：“这一研究结果暗示，仅能用量子力学解释的多种现象，不仅能在固体中发生，也可能出现在生命物质中。我们期待在肉眼可见的其他物质中也能发现准粒子，并由此催生新的科学技术。”
本次研究结果已于27日在线发表在《自然·物理学》（Nature Physics，影响因子19.684）上。
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