必獲諾獎？重大發現奠定物理學裡程碑華人科學家講述背後故事

知識 07-22

「你們有誰熟悉拓撲絕緣體這個理論？」——在熱門美劇《生活大爆炸》第四季14集的一開始，鬼才物理科學家謝爾頓站在講台上，向在座學生們提出了這樣一個他自認難度係數頗高的問題。

這一集播出的當晚，「拓撲絕緣體」這一關鍵詞被4000多萬人關注，而提出「拓撲絕緣體」這一概念的正是享譽世界的前沿物理學家、斯坦福大學傑出華裔教授張首晟（Shoucheng Zhang）。

張首晟，美籍華裔物理學家，美國文理科學院院士、美國物理學會學士、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士。現任斯坦福大學物理系、電子工程系和應用物理系教授。

幾年之後，張首晟再次感受到這種大眾盛情。

在過去的24小時內，他成了華文媒體競相報道的主角，「諾貝爾獎」、「驚世突破」，這些重磅概念被媒體一一加諸其身。矽谷當地時間7月20晚，筆者第一時間致電張首晟向他表示恭賀時，他坦言現在一切太過「overwhelming」。

這一切，源自7月20日發表在《科學》雜誌上的一篇文章。在這篇文章中，作者們通過一系列實驗，證實了手性（在多種學科中表示一種重要的對稱特點）馬約拉納費米子（Majorana fermion）的存在。經過24小時的發酵後，不少人對於這一術語更為熟悉的說法為「天使粒子」。

不過，上述實驗的主導者之一——加州大學洛杉磯分校（UCLA）電機工程系教授王康隆教授則認為，稱呼它為「太極粒子」似乎更為恰當。在王教授看來，太極——這種中華文化的特殊元素能更為形象地傳達馬約拉納費米子正反合一的特殊屬性。

不論是「天使粒子」還是「太極粒子」，捕捉到馬約拉納費米子對於物理學史來說，都是一項具有里程碑意義的重大發現。今天上午，王康隆教授接受了美國中文網的電話採訪，分享了此次發現背後的故事，並解釋了新發現的理論和應用價值。

王康隆，加州大學洛杉磯分校電機工程系教授

追捕神秘的「馬約拉納」

過去80年間，全球物理學界都在捕捉神秘的馬約拉納費米子，這場漫長的捕捉活動源於義大利物理學家埃托雷．馬約拉納（Ettore Majorana）在1937年提出一個大膽假設。

在物理學領域，構成物質的最小、最基本的單位被稱為「基本粒子」。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質，也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種：費米子和玻色子，分別以美國物理學家費米（Enrico Fermi）和印度物理學家玻色（Satyendra Nath Bose）的名字命名。人類已知的所有基本物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料（電子、夸克、中微子），而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。

較早之前，英國物理學家保羅．迪拉克（Paul Dirac）的觀點佔據主導地位。他在1928年提出假想，認為宇宙的每個基本粒子，都有一個相對的反粒子，就像是一對雙胞胎，但是帶著正負能量，當它們相遇時會相互湮滅。幾年後，物理學家確實發現了反物質，即和電子相對的正電子（Positron，又稱反電子）。

埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana），義大利物理學家

這種觀念在1937年出現顛覆。義大利物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。

在馬約拉納預言這種特殊費米子存在後近80年的時間裡，全球科學家們從未停止過對於Majorana的追捕，但一直未果。過去20年，隨著科學技術的迅猛發展，物理學界離這種神秘的費米子越來越近。在加州高校之外，包括普林斯頓等諸多全球知名學府也在堅持不懈地進行著各類實驗，只不過，實驗結果往往模稜兩可，不太理想。

一篇文章十年功夫

一年多以前，在加州大學洛杉磯分校的實驗室內，馬約拉納費米子第一次閃現了跡象，實驗數據落在量子係數的範圍之內，完美得令實驗室的科學家們不敢相信。

一次偶發性的實驗結果不足為據，有意義的實驗結果需要反覆數十次的可重複性論證。一次又一次，數據完美重合。於是，在反覆驗證近30次後，實驗組滿懷信心地整理了實驗報告，並在一年之前向《科學》雜誌提交了論文初稿。

「第一次提交後，審稿人向我們提出，在馬約拉納費米子外另一種可能導致實驗結果的可能性」，王教授告訴美國中文網：「隨後，我們又經過不斷地實驗論證，排除了其它可能性。這樣的來回有兩三次，每一次都是長達30頁的反饋報告。」