量子物理學領域充斥著通往誘人的新研究領域的道路，但有一個兔子洞提供了一個獨特的視角，讓我們透過眾所周知的望遠鏡，進入一個粒子行為不同的世界。這個物體以劉易斯-卡羅爾（Lewis Carroll）舉世聞名的《愛麗絲夢遊仙境》（Alice’s Adventures in Wonderland）故事命名為”愛麗絲環”，它的出現驗證了一個已有幾十年曆史的關於單極如何衰變的理論。

具體地說，單極子衰變成一個環狀漩渦，任何其他單極子通過漩渦中心時都會翻轉成相反的磁荷。這些發現是阿爾託大學教授米科-莫托寧（Mikko Möttönen）和阿默斯特學院教授戴維-霍爾（David Hall）合作完成的一系列工作中的最新發現。

“這是我們的合作首次能夠在自然界中創造出愛麗絲環，這是一項不朽的成就，”莫托寧說。這項基礎研究為了解這些結構及其在粒子物理學中的類似物如何在宇宙中發揮作用打開了新的大門。

這項名為”單極子合作”（Monopole Collaboration）的長期合作關係在2014年初步證明了磁單極子量子類似物的存在，在2015年分離出量子單極子，並最終在2017年觀測到一個量子單極子衰變成另一個量子單極子。

研究人員剛剛在自然界中首次觀測到的愛麗絲環的藝術插圖。圖片來源：Heikka Valja/阿爾託大學

了解單極子

在量子物理學領域，單極仍然是一個難以捉摸的概念。顧名思義，單極子是偶極子的孤獨對應物，偶極子的北極帶有正電荷，南極帶有負電荷。相比之下，單極只攜帶正電荷或負電荷。

雖然這個概念聽起來很簡單，但實現真正的單極子卻是一項決定職業生涯的任務。單極子合作組織是這樣實現的：他們在接近絕對零度的非磁性狀態下操縱銣原子氣體。在這種極端條件下，他們將三維磁場的零點引入量子氣體，從而創造出了單極子。

這些量子單極子本質上是短暫的，在產生幾毫秒後就會衰減。愛麗絲環正是在這種不穩定性中形成的。

莫托寧說：”把單極子想像成一個在山頂搖晃的雞蛋。”最輕微的擾動都會讓它墜落。同樣，單極也會受到噪音的影響，從而引發其衰變為愛麗絲環。”

雖然單極子的壽命很短，但研究小組模擬出的愛麗絲環穩定時間長達84 毫秒，比單極子的壽命長20 倍。這讓研究人員樂觀地認為，未來的實驗將揭示出愛麗絲環更為奇特的特性。

霍爾說：”從遠處看，愛麗絲環就像一個單極，但從環的中心窺視，世界就會呈現出不同的形狀。從這個角度看，一切似乎都是鏡像，就好像愛麗絲環是通往反物質世界而非物質世界的大門。”

從理論上講，穿過愛麗絲環中心的單極子會轉化為帶相反電荷的反單極子。相應地，愛麗絲環的電荷也會發生變化。雖然這種現象尚未在實驗中觀察到，但莫托寧說，愛麗絲環的拓撲結構決定了這種行為的必然性。

實驗工作主要由阿默斯特學院的博士生阿琳娜-布利諾娃（Alina Blinova）和霍爾（Hall）負責，而莫托寧和他的團隊則負責進行匹配模擬。這樣，兩個團隊就能確認實驗觀測結果的解釋。

布利諾娃說：”作為我博士工作的最後一項成果，能有這樣一個重大發現簡直太令人驚訝了。”