量子物理学领域充斥着通往诱人的新研究领域的道路，但有一个兔子洞提供了一个独特的视角，让我们透过众所周知的望远镜，进入一个粒子行为不同的世界。这个物体以刘易斯-卡罗尔（Lewis Carroll）举世闻名的《爱丽丝梦游仙境》（Alice's Adventures in Wonderland）故事命名为"爱丽丝环"，它的出现验证了一个已有几十年历史的关于单极如何衰变的理论。

具体地说，单极子衰变成一个环状漩涡，任何其他单极子通过漩涡中心时都会翻转成相反的磁荷。这些发现是阿尔托大学教授米科-莫托宁（Mikko Möttönen）和阿默斯特学院教授戴维-霍尔（David Hall）合作完成的一系列工作中的最新发现。

"这是我们的合作首次能够在自然界中创造出爱丽丝环，这是一项不朽的成就，"莫托宁说。这项基础研究为了解这些结构及其在粒子物理学中的类似物如何在宇宙中发挥作用打开了新的大门。

这项名为"单极子合作"（Monopole Collaboration）的长期合作关系在2014年初步证明了磁单极子量子类似物的存在，在2015年分离出量子单极子，并最终在2017年观测到一个量子单极子衰变成另一个量子单极子。

研究人员刚刚在自然界中首次观测到的爱丽丝环的艺术插图。图片来源：Heikka Valja/阿尔托大学

了解单极子

在量子物理学领域，单极仍然是一个难以捉摸的概念。顾名思义，单极子是偶极子的孤独对应物，偶极子的北极带有正电荷，南极带有负电荷。相比之下，单极只携带正电荷或负电荷。

虽然这个概念听起来很简单，但实现真正的单极子却是一项决定职业生涯的任务。单极子合作组织是这样实现的：他们在接近绝对零度的非磁性状态下操纵铷原子气体。在这种极端条件下，他们将三维磁场的零点引入量子气体，从而创造出了单极子。

这些量子单极子本质上是短暂的，在产生几毫秒后就会衰减。爱丽丝环正是在这种不稳定性中形成的。

莫托宁说："把单极子想象成一个在山顶摇晃的鸡蛋。"最轻微的扰动都会让它坠落。同样，单极也会受到噪音的影响，从而引发其衰变为爱丽丝环。"

虽然单极子的寿命很短，但研究小组模拟出的爱丽丝环稳定时间长达 84 毫秒，比单极子的寿命长 20 倍。这让研究人员乐观地认为，未来的实验将揭示出爱丽丝环更为奇特的特性。

霍尔说："从远处看，爱丽丝环就像一个单极，但从环的中心窥视，世界就会呈现出不同的形状。从这个角度看，一切似乎都是镜像，就好像爱丽丝环是通往反物质世界而非物质世界的大门。"

从理论上讲，穿过爱丽丝环中心的单极子会转化为带相反电荷的反单极子。相应地，爱丽丝环的电荷也会发生变化。虽然这种现象尚未在实验中观察到，但莫托宁说，爱丽丝环的拓扑结构决定了这种行为的必然性。

实验工作主要由阿默斯特学院的博士生阿琳娜-布利诺娃（Alina Blinova）和霍尔（Hall）负责，而莫托宁和他的团队则负责进行匹配模拟。这样，两个团队就能确认实验观测结果的解释。

布利诺娃说："作为我博士工作的最后一项成果，能有这样一个重大发现简直太令人惊讶了。"