专访张首晟:上帝粒子之后 又一神秘粒子被发现

崔玉贤/文

2012年,欧洲核子研究组织(CERN)宣布探测到了上世纪60年代,物理学家希格斯先生预言的“希格斯玻色子”,也就是“上帝粒子”的存在。这是物理学家梦寐以求的神秘粒子之一,还有四大神秘粒子尚待证实:引力子、磁单极、暗物质和Majorana费米子。

而就在今天,斯坦福大学教授张首晟与他的两个实验团队发现并证实了“Majorana费米子”的存在。

张首晟教授将这一结果公布在了全世界最权威的学术期刊《科学》杂志(原文链接 http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294.full)上,并给这个神秘粒子命名为“天使粒子”。

至此,在物理学界,科学家苦苦追寻了80年的“Majorana费米子”最终被发现,五大神秘粒子的表单可以再减少一个,而量子物理世界将因为此发现产生根本性的变化。

不仅如此,古典哲学所建立的“正反对立的世界”:有阴必有阳,有天使必有恶魔的世界观将不复存在。

在《科学》杂志论文发表之前,张首晟教授接受了网易科技等媒体的报道。他一再的表示,基本科学的发现往往需要很多年,对天使粒子的发现充满了兴奋与期待。

“相比在实验室的意外发现,更美妙的发现是先从理论上追求美,然后经过努力被证实。”

一份梦寐以求的表单

在物理学中有一份表单,囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子:希格斯波色子(又被称为上帝粒子)、引力子、磁单极、暗物质和Majorana费米子。

其中,希格斯波色子已经在2012年被证实存在。希格斯波色子是上世纪60年代,希格斯先生最早预言的一种粒子的存在。希格斯玻色子被认为是物质的质量之源,“上帝粒子”是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。

2012年7月,欧洲核子中心宣布大型对撞机上的CMS和ATLAS两个实验组分别探测到疑似希格斯子的新玻色子,2013年3月14日再次发布新闻稿,正式确认了先前探测到的是希格斯子,也就是“上帝粒子”。

当希格斯波色子被证实之后,名单上还有四大粒子亟待被发现:引力子、磁单极、暗物质和Majorana费米子。相较其他粒子而言,Majorana费米子更加神秘,也更能引起张首晟教授的兴趣,这是因为关于这个粒子背后有个神秘的故事。

1937年,也就是整整80年前,Ettore Majorana挑战当时的权威,狄拉克提出的“宇宙中粒子必有其反粒子的理论,大胆猜想:会不会有这样一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子?为此,他写了短短30页的理论来阐述这一想法,但在那之后,Majorana本人神秘的消失了,从此销声匿迹。但也从那开始,寻找这一颗神奇粒子也就成为物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

据了解,杨振宁的导师Enrico Fermi就非常欣赏Ettore Majorana,虽然这位意大利理论物理学家一生只写过10篇文章。

80年的追寻可以画上圆满句号

张首晟教授表示曾经做梦梦到Ettore Majorana,是因为他泄露了天机,因此被天使带走了。而这个天机,在今天已经被张首晟教授以及其团队证实了。

2010年-2015年间,张首晟与其团队连续发表了三篇论文,精准的预言了在哪里能够找到Majorana费米子,也指出了哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。

他们预言手性Majorana费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。

在以往的量子反常霍尔效应试验中,随着调节外磁场,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,对应着1、0、-1倍基本电阻单位e?/ h。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近效应使之能够实现手性Majorana费米子,相应的试验中会多出全新的量子平台,对应1/2倍基本电子单位e?/ h。

这个基本电阻来源于Majorana费米子没有反粒子,所以某种意义上它可以视为 半个传统粒子。所以,这多出来的半整数量子平台就提供了有力 的证据,证明在时空中传播的手性Majorana费米子的存在。

“这里最重要的是Majorana费米子一半的概念,是通常粒子的一半。”张首晟表示,“通常的量子比特非常脆弱,这也是其核心致命的伤。天使粒子可以将1个量子比特拆成两个更小的单位,如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子,进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。

至此,物理学界整整追寻了80年的神秘粒子可以画上圆满的句号。

“天使粒子”的灵感来源

之所以命名为“天使粒子”是源自于张首晟喜欢的一本书,丹·布朗创作的长篇小说《天使与魔鬼》,他还创作了《达芬奇密码》。《天使与魔鬼》讲述的是神力与科学进行了跨越时代融合,故事开端就是科学家列奥纳多·维特勒与其养女维特多利亚在高度机密的实验室中首次合成了强大而神秘的能量——“反物质”,在故事结尾也描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。

不同于正反粒子,“天使粒子”是一个完美的世界,只有天使,没有魔鬼。因此,张首晟提出这一新发现的手性Majorana费米子应该称为“天使粒子”。

对于“天使粒子”的发现,张首晟既兴奋又期待:拓扑量子计算能够解决当下人类面对最艰难的 一些问题,从而迎来一个完美世界.。

张首晟向网易科技表示, “天使粒子”不仅从概念层次上进行颠覆,将修正古典哲学有正必有反,有阴必有阳的理论;还会从物理层面上进行颠覆,最基本量子单位拆成两半,可以更稳定,科学将走向技术。

张首晟表示,相比在实验室的意外发现,更美妙的发现是先从理论上追求美,然后经过努力被证实,寻本求真。但基础物理的研究是枯燥而艰难的,在这个过程中,张首晟笑着表示有想过放弃,但一想到E=MC2这样大道至简,美妙的公式存在,又选择了重新回归基础物理研究。

张首晟笑称自己是比较幸运的,因为2006年他第一个预言了拓扑绝缘体,2007年就被实验验证;2008年预言了量子自旋霍尔效应,2013年被实验验证;2010年开始Majorana费米子的验证,2017年被实验验证,并给其命名“天使粒子”。

之所以在中国进行这样的宣传,张首晟教授表示自己有这个责任告诉年轻人,基础科学的研究是不能规划的,要耐得住枯燥与乏味。

张首晟:

他是个“神通”,直接跳过高中,自学从初中进入复旦大学;他师从杨振宁,被认为获得诺奖只是时间问题;他开创了拓扑绝缘体这个全新领域,发现了“量子自旋霍尔效应”,包揽了物理界所有重量级奖项;他被聘为斯坦福大学物理教授,成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一;他还极具商业头脑,创办了“丹华资本”。

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