斯坦福大學教授：上帝粒子之後 又一神秘粒子被發現

2012年，歐洲核子研究組織（CERN）宣布探測到了上世紀60年代，物理學家希格斯先生預言的「希格斯玻色子」，也就是「上帝粒子」的存在。這是物理學家夢寐以求的神秘粒子之一，還有四大神秘粒子尚待證實：引力子、磁單極、暗物質和Majorana費米子。而就在今天，斯坦福大學教授張首晟與他的兩個實驗團隊發現並證實了「Majorana費米子」的存在。

在《科學》雜誌論文發表之前，張首晟教授接受了網易科技等媒體的報道。他一再的表示，基本科學的發現往往需要很多年，對天使粒子的發現充滿了興奮與期待。「相比在實驗室的意外發現，更美妙的發現是先從理論上追求美，然後經過努力被證實。」

一份夢寐以求的表單

在物理學中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子：希格斯波色子（又被稱為上帝粒子）、引力子、磁單極、暗物質和Majorana費米子。其中，希格斯波色子已經在2012年被證實存在。希格斯波色子是上世紀60年代，希格斯先生最早預言的一種粒子的存在。希格斯玻色子被認為是物質的質量之源，「上帝粒子」是1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼對希格斯玻色子的別稱。

2012年7月，歐洲核子中心宣布大型對撞機上的CMS和ATLAS兩個實驗組分別探測到疑似希格斯子的新玻色子，2013年3月14日再次發布新聞稿，正式確認了先前探測到的是希格斯子，也就是「上帝粒子」。

當希格斯波色子被證實之後，名單上還有四大粒子亟待被發現：引力子、磁單極、暗物質和Majorana費米子。相較其他粒子而言，Majorana費米子更加神秘，也更能引起張首晟教授的興趣，這是因為關於這個粒子背後有個神秘的故事。

1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana挑戰當時的權威，狄拉克提出的「宇宙中粒子必有其反粒子的理論，大膽猜想：會不會有這樣一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子？為此，他寫了短短30頁的理論來闡述這一想法，但在那之後，Majorana本人神秘的消失了，從此銷聲匿跡。但也從那開始，尋找這一顆神奇粒子也就成為物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

據了解，楊振寧的導師Enrico Fermi就非常欣賞Ettore Majorana，雖然這位義大利理論物理學家一生只寫過10篇文章。

80年的追尋可以畫上圓滿句號

張首晟教授表示曾經做夢夢到Ettore Majorana，是因為他泄露了天機，因此被天使帶走了。而這個天機，在今天已經被張首晟教授以及其團隊證實了。

2010年-2015年間，張首晟與其團隊連續發表了三篇論文，精準的預言了在哪裡能夠找到Majorana費米子，也指出了哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。他們預言手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。

在以往的量子反常霍爾效應試驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應著1、0、-1倍基本電阻單位e?/ h。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性Majorana費米子，相應的試驗中會多出全新的量子平台，對應1/2倍基本電子單位e?/ h。這個基本電阻來源於Majorana費米子沒有反粒子，所以某種意義上它可以視為 半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平台就提供了有力 的證據，證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。

「這裡最重要的是Majorana費米子一半的概念，是通常粒子的一半。」張首晟表示，「通常的量子比特非常脆弱，這也是其核心致命的傷。天使粒子可以將1個量子比特拆成兩個更小的單位，如此一來，傳統的雜訊極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較於傳統的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。

至此，物理學界整整追尋了80年的神秘粒子可以畫上圓滿的句號。

「天使粒子」的靈感來源

之所以命名為「天使粒子」是源自於張首晟喜歡的一本書，丹·布朗創作的長篇小說《天使與魔鬼》，他還創作了《達芬奇密碼》。《天使與魔鬼》講述的是神力與科學進行了跨越時代融合，故事開端就是科學家列奧納多·維特勒與其養女維特多利亞在高度機密的實驗室中首次合成了強大而神秘的能量——「反物質」，在故事結尾也描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。

不同於正反粒子，「天使粒子」是一個完美的世界，只有天使，沒有魔鬼。因此，張首晟提出這一新發現的手性Majorana費米子應該稱為「天使粒子」。

對於「天使粒子」的發現，張首晟既興奮又期待：拓撲量子計算能夠解決當下人類面對最艱難的 一些問題,從而迎來一個完美世界.。

張首晟向網易科技表示， 「天使粒子」不僅從概念層次上進行顛覆，將修正古典哲學有正必有反，有陰必有陽的理論；還會從物理層面上進行顛覆，最基本量子單位拆成兩半，可以更穩定，科學將走向技術。

張首晟表示，相比在實驗室的意外發現，更美妙的發現是先從理論上追求美，然後經過努力被證實，尋本求真。但基礎物理的研究是枯燥而艱難的，在這個過程中，張首晟笑著表示有想過放棄，但一想到E=MC2這樣大道至簡，美妙的公式存在，又選擇了重新回歸基礎物理研究。

張首晟笑稱自己是比較幸運的，因為2006年他第一個預言了拓撲絕緣體，2007年就被實驗驗證；2008年預言了量子自旋霍爾效應，2013年被實驗驗證；2010年開始Majorana費米子的驗證，2017年被實驗驗證，並給其命名「天使粒子」。

之所以在中國進行這樣的宣傳，張首晟教授表示自己有這個責任告訴年輕人，基礎科學的研究是不能規劃的，要耐得住枯燥與乏味。

張首晟：

他是個「神通」，直接跳過高中，自學從初中進入復旦大學；他師從楊振寧，被認為獲得諾獎只是時間問題；他開創了拓撲絕緣體這個全新領域，發現了「量子自旋霍爾效應」，包攬了物理界所有重量級獎項；他被聘為斯坦福大學物理教授，成為斯坦福大學最年輕的終身教授之一；他還極具商業頭腦，創辦了「丹華資本」。

來源：網易科技

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