每一个粒子都属于这三个类别或王国之一：玻色子、费米子和任意子，其中任意子在过去一年才刚刚被发现。你可以把这些群体想象成生物界的分类等级，它们之间的差异就像植物与动物和细菌一样大。
所有可观测的现实都源于这三种基本构成单元及其独特性——孤僻的费米子、群居的玻色子和古怪的任意子，它们对宇宙的秩序和人类的技术产生了巨大的影响。但这些基本成分是如何产生我们身边令人惊叹的物质和现象多样性的呢？更不用说大多数我们从未见过的那种奇特行为呢？
两个传统王国
几个世纪以来，科学家们一直对自然界在物质和光之间的明显二元性感到困惑。在 20 世纪初，量子力学最终统一了这两个领域，表明电子和光子都受到相同的数学方程的约束。在某些情况下，它们都可以表现为粒子或光波。
“认识到不同种类的粒子……实际上具有统一的描述，这是一个伟大的进步，”麻省理工学院诺贝尔奖获得者、物理学家 Frank Wilczek 说。但这种统一只适用于单个粒子——一旦你让两个或更多粒子混合在一起，它们的集体行为就会揭示出一种不同的亚原子划分：玻色子和费米子。
以印度物理学家 Satyendra Nath Bose 的名字命名的玻色子是粒子世界里的“顺从者”，光子是它们的典型代表。Wilczek 说，从技术上讲，它们“表现出处于相同量子态的概率增强”。他补充说，“更通俗地说，你可以说它们喜欢做同样的事情。”想想激光束：它由无数个沿着同一方向运动、具有相同颜色的光子组成。它们在某种意义上是合作的。
以意大利物理学家 Enrico Fermi 的名字命名的费米子则与之相反，它们是“不合群的”。它们拒绝占据相同的量子态，或者用这个类比来说，它们不喜欢做同样的事情。这是泡利不相容原理的精髓，其典型代表就是电子。因为没有两个电子可以处于相同的状态，所以它们被迫进入原子周围的各个电子层。这种受限的排列产生了元素周期表中的所有元素，以及它们令人眼花缭乱的化学性质。
事实上，这种排斥力是原子不会坍缩的原因，也是物质坚硬的原因。我们每迈出一步，都在阻止我们掉入地球。同样，在宏观层面上，它使白矮星——像太阳这样的恒星燃烧殆尽、收缩的核心——免于自身坍缩。电子的这种固有抵抗力“在原子尺度和这些天体物理学的背景下，在宇宙中都扮演着非常重要的角色，”Wilczek 说。没有它，一切都会迅速退化为“无结构的粘稠物”。
粒子家族树
费米子通常被认为是物质粒子：夸克，它们结合形成质子和中子；以及轻子，包括电子、鲜为人知的μ子和τ子，以及几乎没有质量的中微子，它们很少与其他物质相互作用。
另一方面，玻色子是“力载体”粒子：光子、胶子以及 Z 玻色子和 W 玻色子。费米子通过交换这些粒子来分别产生电磁力、强核力和弱核力。（引力 presumably 也有一个引力子，但尚未被探测到）。最后，希格斯玻色子本身并不代表一种力，但它赋予费米子质量。
但上述的物质和力的区别只是一个过度简化。在某些情况下，费米子甚至可以变成玻色子（这就是超流体的形成方式）。两者之间的关键区别实际上是它们的自旋，或角动量。玻色子都有整数自旋，为 0、1 或 2，而费米子则具有半整数自旋，如 1/2 或 3/2。
“什么都可以”
直到最近，玻色子和费米子还是唯一已证实的粒子类别，它们都存在于我们熟悉的三维空间中。但在数学上，一直存在另一种可能性：被限制在二维中的粒子。它们被称为任意子，严格来说它们是准粒子，或涌现粒子——从材料中其他粒子的活动中出现的激发。你永远不会在材料外面单独找到它们。它们不符合电子和光子的模式。
“但归根结底，什么是粒子呢？”Wilczek 沉思道。“它是具有一定完整性的能量集中体，可以移动，具有可重现的性质，”任意子也满足这些标准。“它们是能量如何组织成单元。如果你生活在材料内部，而且不知道有什么更好的称呼，你会称它们为粒子。”这并不比称原子或质子是粒子更奇怪，因为它们都是由更基本的单元组成的。
尽管任意子的存在直到去年才被证实，但 Wilczek 和他的同事早在 20 世纪 80 年代就预测了它。他以一种俏皮的方式命名它们，以暗指这样一个事实：当涉及到这些量子世界中的奇特居民时，“什么都可以”。它们既不像其他王国中的粒子那样排成一列，也不像它们那样完全回避彼此。
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从技术上讲，这是因为它们各自的波函数——用于描述粒子量子态的数学公式。当两个玻色子互相绕行时，它们的初始和最终波函数是相同的——没有发生任何变化。重复进行费米子实验，波函数将相差 -1。Wilczek 说，对于任意子，“大致上，你可以得到任何结果。”与此相比，传统王国中粒子的行为是僵化的。“虽然玻色子和费米子在某种意义上只是一种，”Wilczek 说，“但任意子从概念上讲是一个更大的家族。”
让任意子投入工作
他补充说，任意子的发现“开启了全新的粒子现象世界”，科学家们一直在探索它们的应用，尽管他们不确定它们是否真的存在。对于实际应用来说，最重要的是它们具有某种“记忆”。
要理解这一点，你首先需要理解“世界线”，即粒子在空间和时间中遵循的轨迹。当任意子相互移动时，它们会纠缠在一起，改变所涉及粒子的波函数，并记录下它们的运动。物理学家将这个过程比作编织头发。违反直觉的是，在低维度下，情况会变得更复杂，因为很难解开世界线。在三维度下更容易，而在四维度下则不存在这样的“结”。
当然，任意子的“记忆”与我们的不同，但从抽象的层面来看，它可能是一样的。“它是一种对过去发生的事情的编码，这种编码会持续到未来，”Wilczek 说。这种性质最有希望的应用可能在量子计算中，信息量子比特将由任意子的运动来表示，就像计算机芯片中的 0 和 1 一样。专家们认为，这可以为当今相当脆弱的计算机提供一个更稳定的平台，而这些计算机常常因外部环境的轻微干扰而瘫痪。微软尤其花费了数年时间尝试利用这项技术。
你在日常生活中永远不会遇到任意子。与构成我们熟悉的一切的玻色子和费米子不同，它们的奇异表亲只存在于二维材料中，这些材料被冷却到接近绝对零度并置于强磁场中。“这不是你在街上散步时会遇到的东西，”Wilczek 说。然而，它“是量子力学的一个绝佳游乐场。”
