天使粒子的自白：還沒發現我的真身，你們人類就激動成這樣

知識 07-28

張首晟等幾位華人科學家發現天使粒子引發關注，據稱有可能獲得諾獎。天使粒子到底特殊在哪兒？這次發現的意義是什麼？請看她的自白。

文/記者劉辛味（實習）漫畫/孫燕燕

審核/劉峻豪（中國科學院高能物理所博士）

新媒體編輯/房永珍

2017年7月21日，何慶林、王康隆和張首晟等幾位華人物理學家在《科學》（Science）雜誌撰文指出，他們在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現了一維手征馬約拉納費米子模的存在，還給這種粒子起了一個名字：「天使粒子」。

量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現了一維手征馬約拉納費米子模......請默念一遍，是不是如同天書？雖然文章發表後有質疑之聲稱成果有炒作之嫌，但不可否認，這一困擾物理學界整整80年的問題獲得了重要突破。

部分作者：左起何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆（來源：果殼）

下面，咱們就讓天使粒子自己來回答我們關心的問題。

問：粒子到底是個啥？

天使粒子：物理學裡的粒子（particle）是指構成物質的組成部分，最早發現的原子、質子等都是粒子，後來科學家們還發現了比它們更為基本的組織成分，稱為基本粒子。所有的粒子都是由基本粒子組成的。現在物理學家發現的粒子都比原子小，所以它們也稱為亞原子粒子或次原子粒子。

問：記得前幾年還有科學家因「上帝粒子」獲得諾貝爾獎，你和上帝粒子有什麼關係啊？

天使粒子：我全名叫馬約拉納費米子，上帝粒子叫希格斯玻色子。我們全名的前半部分為紀念提出的科學家予以命名，後邊是粒子的類別。

到20世紀中期，物理學家們已經發現了大量的新粒子，而理論上它們都是由基本粒子組成的，就提出了標準模型（Standard Model）。這個理論根據粒子一種固有屬性規定分為了兩種，就是費米子和玻色子。費米子負責構成物質組成，比如夸克，還有我。玻色子作為傳遞相互作用的媒介，比如光子，還有上帝粒子。

問：那你跟其他的費米子有啥不一樣呢？

天使粒子：其實就一句話——我的反粒子是我本身！

問：暈了！暈了！啥是反粒子啊？？

天使粒子：這個有點複雜，要從薛定諤方程說起。你只聽說過薛定諤的貓吧？對，就是那個薛定諤。

他寫的這個方程就是描述微觀粒子運動的，是量子力學中的基本方程。1928年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）把相對論引入進去變成了狄拉克方程。這個方程的解呈現了電子的負能量態！為了解釋，他預言存在反粒子。

1932年，美國物理學家安德森（C. D. Anderson）在宇宙射線里發現了正電子！正電子和普通的電子就互為一對反粒子。科學家預言，所有的粒子都有反粒子！後來就發現了反質子、反中子等等。

問：你說了半天也沒提馬約拉納啊？

天使粒子：別急啊。1937年，義大利天才青年物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在研究狄拉克方程時又提出了另外一種形式，這種情況下存在一個正反粒子等同的粒子，也就是我——馬約拉納費米子。

可是，預言我存在的馬約拉納在1938年就離奇失蹤了，成為了科學史上永遠的謎。他真正研究物理的時間僅有幾年，只發表過9篇論文，卻顯示了出眾的才華和敏銳的洞察力。

遺憾的是，我和馬約拉納同樣神秘，人類至今還沒有找到我！

問：什麼！沒找到？新聞里不是都說物理學家追尋80年終於發現了你嗎？

天使粒子：其實你們發現的並不是我的真身，而只是凝聚態物理中的「准粒子」，不是一個真正的粒子。在固體材料中大量粒子的集體運動能表現出一個粒子的性質，而這種狀態就叫准粒子或集體激態。如果把這些粒子比喻成海洋中的魚，那麼凝聚態物理是把有群聚行為的一整群魚作為觀察對象。所以你們發現的也可以叫「准」天使粒子。

近些年，在凝聚態體系中已經多次發現了我存在的證據，也都是在「准粒子」的意義下的。