重大突破！華人科學家發現「天使粒子」，楊振寧：獲諾獎只是時間問題

編輯：大鬍子

張首晟（圖片來自光明網）

物理學迎來重大突破：由4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉那費米子，從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。

7月21日凌晨，張首晟及其團隊在美國科學雜誌上發表了這項重大發現。據悉，該成果由加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個團隊共同完成，通訊作者為何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆，均為華人科學家。

丨「神秘的正反同體粒子，讓我們等了80年」

1928年，英國理論物理學家保羅·狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac）提出了著名的狄拉克方程式。這一發現，從理念上預言了正電子的存在，狄拉克提出：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。

狄拉克和刻在他墓碑上的方程。（圖片來自物理學科網）

1932年，美國物理學家安德森在研究宇宙射線時，無意間發現了狄拉克預言的正電子。從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。

目前，正電子也被廣泛應用到人類生活之中，醫學影像技術PET(Positron Emission Tomography, 正電子發射斷層掃描) 就是其中之一。

張首晟向鳳凰科技表示：「根據以往的認知，我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界。比如有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。」

但是，在1937年，也就是整整80年前，Ettore Majorana做出這樣一個大膽的猜測：會不會有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。這個粒子被後來的物理學界稱之為Majorana費米子，並和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。

1937年，義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉那（Ettore Majorana）在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在，即我們今天所稱的馬約拉那費米子。不幸的是，他本人做出這一猜測後在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以後，尋找這一神奇粒子成為了物理學家門夢寐以求的探索目標。

義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉那（圖片來自網易）

科學家們認為，在粒子物理中，標準模型範疇之外的中微子可能是馬約拉那費米子。而要驗證這一猜想，需要進行無中微子的beta雙衰變實驗。可惜的是，這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。

張首晟把突破口轉向凝聚態物理。從2010年到2015年，張首晟團隊連續發表三篇論文，精準預言了實現馬約拉那費米子的體系及用以驗證的實驗方案。王康隆等實驗團隊依照張首晟的理論預測，成功發現了手性馬約拉那費米子，為持續了整整80年的科學探索畫上了圓滿的句號。

張首晟將這一新發現的手性馬約拉那費米子命名為「天使粒子」，這個名字來源於丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。「這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界。」張首晟說。

丨基礎物理與應用的「雙突破」

張首晟表示，天使粒子最重要的意義是改變了基礎物理，因為它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。

對於每一位物理學家來說，基礎物理的研究都是一段極為漫長的過程。一個重大的發現往往需要50年甚至100年的時間，有發現已經是幸運的。也有很多人，可能傾注畢生，最終也沒有所獲。

1927年第五次索爾維（Solvay）會議參與者（攝於比利時索爾維國際物理研究所 圖為彩色修復版）

任何科學的發現，都是站在巨人的肩膀上。張首晟表示，天使粒子的發現，也是建立在量子反常霍爾效應以及拓撲絕緣體的基礎上。

不僅如此，不同於其他基本科學從發現到技術應用往往需要多年時間，天使粒子已經可以看到其實際應用的前景。

量子糾纏的神奇之處就在於，當你對其中一個粒子測量時，也會影響到另一個粒子的狀態，儘管二者之間沒有作用力、滑輪或電話線之類的東西相連，沒有任何方法可以彼此溝通。

在量子計算中，作為量子信息單位的是量子比特（qbit）儲存在單個粒子上，封閉的量子世界存儲在0、1的空間中，由於量子糾纏的特性，量子比特非常非常脆弱，觀測者會影響到量子比特的狀態。

Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。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。

張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許Majorana費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能。

從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，但是張首晟教授對於這天使粒子巡遊的量子天堂充滿了興奮與期待：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。

張首晟表示，接下來，其團隊將與國內科研機構及公司合作，希望基於Majorana費米子研發量子計算以實現彎道超車。

丨楊振寧：獲得諾獎只是時間問題

幾天前，張首晟回到北京為其恩師楊振寧慶祝95歲壽辰。

1963年出生的張首晟，17歲便前往德國柏林自由大學學習。他學的是理論物理專業，這也是楊振寧的專業。

但理論物理的就業面太窄，張首晟一度開始擔心自己的前途。但當他來到哥廷根大學附近的一塊墓地，看到裡面埋葬的一些物理學家都是用其生前發現的公式作為墓志銘，這深深震撼了張首晟。

自此，「用一個公式概括整個世界」成為張首晟的夢想，也讓他決定將畢生的精力都貢獻給物理學研究。

還有一個選擇對張首晟產生了深遠的影響。當年在柏林自由大學學習時，張首晟一直將大統一理論當成自己的學術目標。因為這是愛因斯坦努力一生的事業，也是楊振寧的領域。

1987年張首晟博士畢業時與楊振寧的合影（資料圖片）

但是當他師從楊振寧時，楊振寧卻鼓勵張首晟去研究凝聚態物理。楊振寧認為他自己所處的領域要想有所突破已經很難，而凝聚態物理剛剛興起，發展很快。

最後，張首晟在楊振寧的指導下，開始在凝聚態領域工作。

張首晟2012年獲得狄拉克獎（圖片來自科學網）

接下來，1996年，年僅33歲的張首晟被評為斯坦福大學終身教授。隨後，憑藉拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應兩項理論的發現，張首晟於2010年獲得歐洲物理獎；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎；2014年獲得美國富蘭克林獎。

張首晟多年被湯森路透預測會得到諾貝爾獎，楊振寧則評價「他獲得諾貝爾獎只是時間問題」。不知道天使粒子的發現，是否能讓張首晟眾望所歸。

參考資料：

光明網，2017年7月21日，華裔科學家張首晟發現天使粒子 改變了量子物理

環球網，2017年7月21日，重大突破！華人科學家領銜團隊找到「天使粒子」

鳳凰網，2017年7月21日，張首晟發現天使粒子 楊振寧：獲諾獎只是時間問題

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