本文刊登在《Discover》杂志的年度科学现状特刊上，题为“任意子加入粒子派对”。订阅我们的订阅服务，支持我们的科学新闻报道。
经过数十年的对自然界最小领域的探索，物理学家们终于找到了任意子存在的证据。这些粒子状物体最早在20世纪80年代初由理论家预测，它们只存在于二维空间中，并且只在特定条件下出现——例如在接近绝对零度的温度和强磁场的作用下。
物理学家们对任意子感到兴奋，不仅因为它们的发现证实了数十年的理论工作，还因为它具有实际意义。例如：任意子是微软努力构建功能性量子计算机的核心。
今年有两个确凿的证据证实了准粒子的存在。第一个证据在4月份出现，发表在《Science》杂志封面的一篇论文中，来自巴黎高等师范学院（École Normale Supérieure）的研究人员。他们利用四年前提出的方法，让电子气体通过一个微型粒子对撞机，以挑出只有在任意子存在的情况下才会出现的奇异行为——尤其是分数电荷。第二个证据来自7月份，印第安纳州普渡大学（Purdue University）的一个团队使用了一种实验装置，在一个蚀刻芯片上筛选掉了可能掩盖任意子行为的相互作用。
麻省理工学院（MIT）的物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在20世纪80年代初预测并命名了任意子，他认为第一篇论文是发现，但第二篇论文让这些准粒子更加清晰。“这是一项了不起的工作，让这个领域蓬勃发展，”他说。任意子不像普通的基本粒子；科学家永远无法将其从形成的系统中分离出来。它们是准粒子，这意味着它们具有可测量的粒子属性——例如位置，甚至质量——但它们只能通过其他常规粒子的集体行为才能被观察到。（想象一下自然界中群体行为形成的复杂几何形状，例如成群飞行的鸟类或集体游动的鱼群。）
已知宇宙只包含两种基本粒子。一种是费米子（fermions）家族，包括电子、质子、中子以及构成它们的夸克。费米子独来独往：同一时间不可能有两个费米子处于相同的量子态。如果粒子没有这个特性，所有物质都会坍缩成一个点。正是因为费米子，我们才拥有固态物质。
宇宙中其余的粒子是玻色子（bosons），这个群体包括光子（光的信使）和胶子（“粘合”夸克的粒子）。与费米子不同，两个或多个玻色子可以同时处于同一状态。
它们倾向于聚集在一起。正是由于这种聚集，我们才有了激光，它们是由所有占据相同量子态的光子流组成的。
任意子不属于以上任何一类。任意子尤其令物理学家们兴奋的是，它们表现出一种类似于粒子记忆的特性。如果一个费米子绕着另一个费米子运行，它的量子态保持不变。玻色子也是如此。
任意子则不同。如果一个任意子绕着另一个任意子运动，它们的集体量子态会发生变化。可能需要三次、五次甚至更多次的旋转，任意子才能恢复到原始状态。这种波动的微小变化就像一种旅程的记忆。这种特性使它们成为量子计算机的有吸引力的对象，量子计算机依赖于名义上脆弱且易出错的量子态。任意子提供了一种更强大的数据存储方式。
维尔切克指出，任意子代表着一个包含许多具有奇异行为的“王国”，这些行为可以在未来被探索和利用。他大约40年前在研究生时期开始思考它们，当时他对于只确立两种粒子存在的证明感到沮丧。
他构想了其他可能性，当被问及它们的其他性质或在哪里可以找到这些奇怪的“中间者”时，他半开玩笑地说：“一切皆有可能”（anything goes），由此产生了“任意子”（anyons）这个名字。
现在，他说，新的研究只是一个开始。展望未来，他认为任意子是寻找奇异物质态的工具，而这些物质态目前仍然只是物理学家理论中的疯狂想法。
