张首晟发现天使粒子?那么马约拉纳又是谁?……

2024-06-16 02:59

1. 张首晟发现天使粒子?那么马约拉纳又是谁?……

017年7月20日,著名物理学家张首晟及其研究团队召开新闻发布会,宣布他们在美国的《科学》杂志上发表了一项重大发现。这个重要发现是:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在——这个新发现的粒子,被张首晟院士命名为“天使粒子”。
这里瞬间就出现了两个物理学家的名字:“费米”与“马约拉纳”。其中对于费米大家都比较熟悉,他是实现人工核反应堆(原子弹)的首席科学家,也是李政道先生在芝加哥大学读博士时候的博士论文导师,那么,问题来了——
谁是马约拉纳?
假如你去一个海滨城市,在某个浪漫暧昧的夜晚,徐徐海风吹拂之下,一些游轮餐厅也许会放着这样的音乐,那是Rod Stewart 的《SAILING 》:
I am sailing, I am sailing ……cross the sea.
I am sailing stormy waters, ……
……
I am dying……
其实,这首歌是非常适合来描述马约拉纳这个人的呢。
事情还要从20世纪20年代中期说起,那是在物理学的复兴之路上的意大利,伽利略的物理学后裔费米在意大利开始经营他的新罗马帝国。当时, 费米在罗马大学组建了一个物理研究所,这个组里汇集了一批意大利当时最优秀的青年物理学家,21岁的帅哥马约拉纳也在这个研究组里。

马约拉纳
当时他俩都是只有二十几岁,梦想都很大,说话也很随便。
马约拉纳说:“每隔500年才有一个类似阿基米德或牛顿这样的科学家出现,而每隔100年就会有1至2个爱因斯坦和玻尔这样的人出现。”
费米说:“那费米是几百年出一个?”
马约拉纳说:“我们谈的是爱因斯坦与玻尔……”
马约拉纳是一个很有天赋的物理学家,他的分析与计算能力对整个研究组的帮助很大。
只要有他在的地方,就没有人会用计算尺和笔算。马约拉纳能够口算出243的平方根乘以578的立方根等于多少这样的数学题……费米和他曾有过一场计算能力的PK,费米用纸笔尺,马约拉纳只用脑子,然后比赛结果是平局……而众所周知,费米的计算能力也是非常强的:后来在美国爆炸原子弹的时候,他就站在很远之外,手里拿张纸,撕成碎纸片。原子弹的冲击波来了,他把纸一扔,然后根据纸片被卷走的高度、速度和距离计算原子弹释放的能量值。冲击波走了,费米就算出来了,而且计算出来的结果和精密仪器测试的结果不相上下……
马约拉纳对自己的研究工作自我要求很高,他很少发表研究成果,除非他本人觉得研究结论已经无可挑剔。
一九二九年,费米研究组的成员之一瑞萨缇(Franco Rasetti)在美国加州理工学院进行访问研究时,测量了氮原子核的自旋数,其结果是“一”,这让当时的物理学家很费解。马约拉纳立刻意识到原子核应该是由带正电的质子和一种不带电的、质量与质子相近且自旋亦为二分之一的粒子所组成。他把这种粒子叫做 “中性质子”,也就是人们后来发现的中子。具体到氮原子核,其组成应为七个质子加七个“中性质子”。他同时也意识到,为了使原子核不致因内部的质子们 “同性相斥”而分崩离析,核内一定存在一种比电磁力强得多的相互作用力,他称之为“交换作用力”——这就是后来人们所说的强相互作用力。不过可惜的是,马约拉纳这个人非常低调,甚至有些消极,他没有发表这些结果。
几个月后,俄国的一个名字叫伊万年科(Dmitri Ivanenko)的物理学家也认识到了中子的存在,发表了相关的文章。费米抱怨他坐失良机,马约拉纳也仅仅只一笑置之——从这里也许可以看出马约拉纳是一个比较淡漠的青年,可能还有点抑郁,从这里倒可以解释他具有某种先天的自杀倾向。
马约拉纳之死
1932年,马约拉纳辞去了在罗马大学物理研究所的职位,开始了长达四年几乎足不出屋的“闭关”生活。
1938年3月25日他给家人和他任职的那不勒斯大学物理研究所所长卡瑞利(Antonio Carrelli)各留了一封信后,就登上了一艘开往西西里首府巴勒莫的邮船。一般人和警方都把这两封信解读为绝命书——因为从此以后马约拉纳就在人间消失了。
自杀?
他杀?
溺水?
有两件事令人费解——他在去巴勒莫之前支领了半年的薪水并带走了所有重要的科研笔记,这不像一个准备自杀之人所为,看起来更像是去“龙泉寺”隐居的。在他平安抵达了巴勒莫以后,又发了一封电报和一封信给卡瑞利。电报仅一句话“别紧张,信随后就到”,在他的信里则明确说他放弃了自杀的念头。
根据售票记录,他确实买了返回那不勒斯的船票,而且有个同舱人(三人住一间舱房)曾作证说,他在那不勒斯下船时,马约拉纳还在舱里睡觉。
但马约拉纳从人间蒸发的事情真的不好解释。没人确切知道他是否在那不勒斯下了船。这种不确定的结局,为后人留下了想象的空间。
以致几十年来不断有人宣称在世界的不同角落遇见过马约拉纳,版本之一是:在上世纪六十年代初,马约拉纳经常在智利的一个小酒馆里吃饭,还在餐巾纸上演算数学问题——这难道是从意大利漂流到了南美洲了?也有人说马约拉纳是出家当和尚了。
时至今日,意大利人也没有忘记他。他多次成为科幻小说或电影的主角,甚至还有关于他的科幻连环画集。在连环画里,马约拉纳的结局最为辉煌——被外星人接走了!
总之,很多年以后,马约拉纳跳上帆船出去航海……马约拉纳消失在海平面之下。这就应了本文开头的那个歌词,I am sailing,I am dying。
张首晟是不是杨振宁的学生?
在中国媒体的报道中,张首晟教授一般被描述为是杨振宁院士的学生。
比如,蝌蚪君用百度查了一下:

百度里写着张首晟师从杨振宁攻读博士学位。
蝌蚪君又查了一下wiki百科。
万万没想到啊:张首晟的博士导师不是杨振宁!
  张首晟的博士论文导师是著名超引力专家纽文豪森(peter van Nieuwenhuizen ,他是荷兰高能物理学家)。也就是说,张首晟在读博士期间,其实是做高能物理出身的,后来才成长为凝聚态物理学大师,这确实是很难得的。杨振宁先生曾多次鼓励年轻学子投身凝聚态物理学研究,张首晟教授在这一点上也是受到了杨先生的教导,所以取得如此巨大的成就。
为什么叫“天使粒子”?
那么,这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢?
这里面可能有好几个原因,蝌蚪君给大家来分析解读一下:
首先,是因为马约拉纳费米子是很特殊的,一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子,比如电子与正电子是不同的。但是,马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子。所以,天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了,因此取名叫天使粒子。不过,从这个角度来说,这个粒子的取名也可以换成“魔鬼粒子”,意思也是一样的——因此还需要其他理由。
其次,是因为有一个希格斯粒子被称为上帝粒子,于是,为了与上帝对应,现在搞出了一个天使粒子。
最后,有可能是因为马约拉纳本身就是一个折翼的天使。

张首晟发现天使粒子?那么马约拉纳又是谁?……

2. 张首晟发现天使粒子?那么马约拉纳又是谁

天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
量子世界本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。量子计算机能够进行高度并行的计算,远比经典计算机有效。
天使粒子一般指马约拉纳费米子。
马约拉纳费米子(英语:Majorana fermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身。与此相反,狄拉克费米子(Dirac fermion)则是指反粒子与自身不同的费米子。

3. 华人科学家宣称已经发现“天使粒子”?

据报道,近日美国斯坦福大学华人科学家张首晟等人宣布,他们已经首次发现了马约拉纳费米子存在的证据,而这一重大发现解决了困扰量子物理学80年的难题。

报道称自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子,但是马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。

张首晟表示,现在他们把发现的马约拉纳费米子称为“天使粒子”,根据爱因斯坦的质能转换公式,当一个粒子遇上其反粒子就会发生湮灭,并释放能量,但是我们发现的马约拉纳费米子的世界里,只有天使,没有魔鬼。

专家表示发现马约拉纳费米子存在,对于建造稳定的量子计算机具有重要意义。

华人科学家宣称已经发现“天使粒子”?

4. 科学家找到“天使粒子”,是什么东西?

天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
量子世界本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。量子计算机能够进行高度并行的计算,远比经典计算机有效。
天使粒子一般指马约拉纳费米子。
马约拉纳费米子(英语:Majorana fermion)是一种费米子,它的反粒子就是它本身。与此相反,狄拉克费米子(Dirac fermion)则是指反粒子与自身不同的费米子。

5. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么?

 首先,天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”,不过,与一般的电子或者质子不同的是, 华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子,而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢?如果说真的粒子是“股票”,那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。 
    那么,这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢?这个我  给大家来分析解读一下,不一定对,毕竟我不是张首晟老师,他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了: 
    首先,是因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的,从粒子物理的dirac方程可以看出来,一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子,比如电子与正电子不是同一种粒子,而是两种粒子——这就好像我们的手掌,既有左手又有右手,左手不等于右手。但是,这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子,也就是说,这个粒子就好像一种外星人,只有一只手——你说是左手还是右手?所以,按照西方人的思维习惯,一般用“天使与魔鬼”来比喻,那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了,因此被取名叫天使粒子。 
   其次,是因为2012年发现一个重要的基本粒子,那就是希格斯粒子,希格斯粒子被称为上帝粒子。现在,也许为了与上帝对应,突出其发现的重要性,所以取名“天使粒子”。
     还有,张首晟是著名的天使投资人,丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。 
   最后,有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早,年轻的时候就失踪了,成为物理学的谜,这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。
        正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。英国物理学家保罗·狄拉克1928年预言,每一个基本粒子都有对应的反粒子。几年后,科学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子,验证了这一预言。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。 
      不过,马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。如今,张首晟团队终于找到了它存在的证据。 
        在寻找“天使粒子”的过程中,张首晟领导的理论团队预言了通过怎样的实验平台能够找到马约拉纳费米子,哪些实验信号能够作为证据;加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆以及欧文分校的夏晶领导的实验团队与理论团队密切合作,在实验中发现了被称为手性马约拉纳费米子的一类最基本马约拉纳费米子。中国的复旦大学和上海 科技 大学对实验也有贡献。 
      按照理论团队预言,研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜(即磁性拓扑绝缘体)之上的混合器件。施加低强度外磁场后,研究人员测量到了半整数量子平台,这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。 
      张首晟解释说,在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,会出现整数量子平台。这是通常的粒子行为。马约拉纳费米子没有反粒子,相当于半个传统粒子,因此当把普通超导体置于量子反常霍尔效应薄膜之上时,在通常的整数量子平台之外,会新出现半整数量子平台。 
       
    由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子,从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。 
    相关论文发表在今天出版的《科学》杂志上。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海 科技 大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成,通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆,均为华人科学家。 
   今天,科学杂志发表了张首晟教授及其合作者的一篇论文。这个工作体现了理论与实验的很好结合。张老师是此项工作的理论负责人,实验团队根据张老师的理论方案,在二维反常量子霍尔效应绝缘体(即磁性拓扑绝缘体)与超导体的一维界面,发现导电性质表明电子的集体行为表现出马约拉纳费米子的行为。
   
   归根到底,这是固体材料中的电子的行为。但是,大量电子在固体的环境(原子核阵列以及外部条件比如磁场所形成的复杂势能)以及它们自己之间的相互作用下,可以简洁地用所谓“准粒子”来描述,也就是说这里的大量电子的表现就像在最低能量的状态基础上,激发出大量“准粒子”。为了强调这些“准粒子”是在新的层次上演生出来,而它们在其所在的环境中就类似我们的宇宙中的基本粒子,我们还可以称它们为“演生粒子”。
   
   现在,张老师及其合作者在某个特定固体环境中,找到了类似马约拉拉纳费米子的演生粒子。所谓“找到”,是说导电行为必须要用马约拉纳费米子来解释。他们发现的马约拉纳费米子是在二维磁性拓扑绝缘体与超导体的一维边界,这导致它是手征性的,也就是说沿着一个方向跑。
   
   费米子是这样一种量子粒子。在同一个系统中,同种费米子的状态(考虑所有的的指标)必须各不相同。电子(不管是在自由空间中还是在固体材料中)就是费米子。马约拉纳费米子是这样一种特殊的费米子,即它的反粒子是它自己。 反粒子可以如下定义:产生一个反粒子,相当于消灭一个与之很多性质(动量、角动量、电荷等等)相反的粒子。反之亦然,正反粒子是相对的。宇宙自由空间中还没有发现马约拉纳费米子,中微子有可能是,也有可能不是,答案还不知道。
   
   张老师将马约拉纳费米子称为天使粒子,因为他注意到小说《天使和魔鬼》中,正反粒子湮灭,世界消失,而马约拉纳费米子可以比喻为,这里只有天使,没有魔鬼。
    根据粒子物理的定义,物质由费米子和玻色子两种基本粒子组成,费米子是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子);玻色子是传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。 
       
    位列神秘粒子名单的Majorana费米子是费米子的一种,其独特之处在于, 它是一个没有反粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。  
    手性Majorana费米子的发现为持续了整整80年对这一神秘粒子的搜索画上了圆满的句号。类比Dan Brown描述正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》,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:我们发现了一个完美的世界,那里只有天使,没有魔鬼。 
       
    意义在于: 
    Majorana费米子被发现,将从哲学层面对挑战人类对现有世界的认知,即世界不完全是正反对立的,有阴不一定有阳,有天使不一定有魔鬼。除此之外,这一发现还具有更加现实的意义——在固体中实现拓扑量子计算将成为可能。 
       
    在张首晟看来,天使粒子的发现 “非常非常神奇,这意味着一个量子比特可以拆成两个,对整个量子物理有根本的改变。”      
   等了80年 天使粒子现身
   1928年,英国物理学家保罗·狄拉克预言,每一个基本粒子都有对应的反粒子。几年后,科学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子,验证了这一预言。
     
   1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。
   正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。
   不过,马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。如今,华人科学家领衔的科研团队终于找到了它存在的证据。
   神秘的正反同体粒子
   在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,会出现整数量子平台。这是通常的粒子行为。马约拉纳费米子没有反粒子,相当于半个传统粒子,因此当把普通超导体置于量子反常霍尔效应薄膜之上时,在通常的整数量子平台之外,会新出现半整数量子平台。
     
   为此,研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜(即磁性拓扑绝缘体)之上的混合器件。施加低强度外磁场后,研究人员测量到了半整数量子平台,这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。
   根据爱因斯坦的质能转换公式,当一个粒子遇上其反粒子就会发生湮灭,并释放能量。所以,科研团队把他们发现的马约拉纳费米子称为“天使粒子”。
   在寻找“天使粒子”的过程中,华裔科学家的理论团队预言了通过怎样的实验平台能够找到马约拉纳费米子,哪些实验信号能够作为证据;实验团队与理论团队密切合作,最终发现了手性马约拉那费米子,为持续了整整80年的科学 探索 画上了圆满的句号。对此,中国的复旦大学和上海 科技 大学对实验也有贡献。
   带来的量子计算时代,让人期待
   发现马约拉纳费米子存在,对于建造稳定的量子计算机具有什么现实意义呢?
     
   目前看来,最大的用途之一,就是未来能帮助中国建造更稳定领先世界的量子计算机!量子计算机是一种具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。它的运算能力将提升数万倍。
   普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题,而量子计算机却可以同时解决多个问题。这种超快速度可能彻底改变所有行业。例如精准到秒的天气预报,可预见的交通路况,新型药剂成分的构造 探索 ,外太空 探索 ,人工智能与自动化等一切目前计算机需要通过穷举法逐一 探索 的事业,都可能在一瞬间完成。
   张首晟一直提到:人类文明的价值是大道至简,他认为把大道用简单的话讲出来,让人人都听懂,这才是真正牛的。
   他最喜欢讲的故事是关于狄拉克的:
   4的根号等于几?很简单,2和-2,英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一狄拉克初中时,就觉得这个回答非常非常奇妙,为什么开根号的时候总是有一个正根,有一个负根?
   狄拉克突然从开根号开始天马行空,做了个惊人的预言,断定宇宙中所有的基本粒子,都有个反粒子,有电子就有反电子,有质子就有反质子,有中子就有反中子,这是个非常非常神奇的预言。
   1932年C.D.安德森实验发现了正电子。
   1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子,他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞,发现在突然间成对出现了几道轨迹,又在短时间内相撞而互相湮灭,这是人们第一次直接观测到反粒子。
   迄今,已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。 如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。
   这样,狄拉克的天才预言被实验证实了,那么,有没有反例呢?宇宙中会不会存在一类没有反粒子的粒子,或者说正反同体的粒子?
   意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那(Ettore Majorana)在1937年,从理论上提出了这样的粒子存在,即我们今天所称的马约拉那费米子,它的反粒子就是它本身。但是不幸而且巧合的是,他在提出这种神奇粒子存在不久后,到巴勒莫乘船旅行中神秘失踪,从此渺无音信。
   从那时开始,这一神奇粒子成为了物理学家们无时不想追寻的梦中情人,困扰了物理学界整整80年。
   张首晟把突破口转向凝聚态物理。2017年7月,张首晟及其团队在《科学》杂志上发表了一项新发现,在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流,与理论预言的手性马约拉纳粒子十分吻合。这是在霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的马约拉纳测量结果。
   张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”,这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界”张首晟说。
   这也使得张首晟再度成为2017年诺贝尔物理学奖的热门人选,虽然最终再度落选。
   当然也存在一些质疑,比如中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说:“这个发现不是基本粒子,而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态,这个态满足中性粒子的要求,即其反态就是自身。鉴于这种量子态需要极端条件,距离应用还比较远,如果我用一句大白话来解释,就是“凝聚态物理还没有攻陷粒子物理”。“
   简单地说,马约拉纳准粒子的证实必须找到更令人信服的证据,马约拉那费米子还只能继续是物理学家们的情人,梦中的。
   12月1,美籍华人张首晟在美国的9层高楼一跃而下,匆匆结束了短暂的一生,终年55岁。
   张首晟是杨振宁的得意门生,中国科学院外籍院士,物理学家,天使粒子的发现人。获得欧洲物理奖,巴克莱奖,狄拉克奖,尤里基础物理学奖等,被杨振宁认为是下个诺贝尔奖获得者。
   让杨振宁想不到的是他竟然白发人送黑发人。      
   天使粒子和特性   1937年由马约拉纳提出,是一种费米子,它的反粒子与它自身完全等价,当它们相遇时,会互相湮灭,释放大量能量。拿约拉纳对狄拉克方程进行了改写,得出了马约拉纳方程。但从未有物理学家发现过“马约拉纳费米子”的存在。      
   直到过去了80年后,张首晟和他的团队在拓扑绝缘体和超导体组成的系统中发现了手性马约拉纳费米子,它符合马约拉纳费米方程的波动方程,第一次有力的证实了马约拉纳费米子(天使粒子)的存在。这个消息发表在《科学》杂志上。
   欢迎关注和点评。    
   我不是专门学物理的,只是把我看到的一些关于“天使粒子”的信息分享一下。
   首先,“天使粒子”也就是所谓的“手性马约拉纳费米子”,这种粒子的存在是由埃托里·马约拉纳首先提出的。   这段话里面提到的“反粒子”,是由物理学家迪拉克提出的,他预言,每一种基本粒子都会有自己的反粒子,而且这种反粒子跟“正粒子”是两种完全不一样的粒子——就好像是一对水火不容的兄弟一样。举个简单的例子,数轴上的每一个正数都对应了一个负数,虽然这两个数之间有千丝万缕的联系,但是完全是两个数;而这种预言中的天使粒子是一个例外,他是数轴上的0,他的负数就是自己。
   其次,“天使粒子”这个说法只是一种有趣的叫法,这个粒子跟天使没有一毛钱的关系,跟善、光明、和平也没有一毛钱的关系。   这个说法只是张首晟本人一个浪漫的说法而已。
   所以只要他愿意,他也可以说这个粒子应该叫魔鬼粒子。
   这是一个很伟大的发现,但是跟发现真正的天使粒子还有一些距离。   目前发现的不是预言中的基本粒子,而是一堆电子形成的“准粒子”。他们的行为跟预言中的天使粒子有相似之处。
   举个例子,好比一块大石头拦住了道路,一个人预言,一定会有可以搬动这块石头的人。几十年过去了,一对人非常兴奋的表示,我们发现了一种可以让二十个人一起搬动这块石头的方法。所以那个预言中的大力士依然没有找到,但是这二十个人达到了跟那个大力士一样的效果,并且最终搬开了石头,解决了一个大难题。
   其实张首晟不是这篇论文的主要领导,而是计划者。     
   所以这篇论文的第一作者不是张首晟,当然,这只是论文作者排序的问题,他对该研究的贡献依然是非常巨大的。
   而且我们应该注意到,这篇论文的共同第一作者分别是加州大学洛杉矶分校(UCLA)的 何庆林和  潘磊, 从名字上也可以看出来,都是中国人。
   此外,上海 科技 大学也参与了试验研究,甚至比何庆林/潘磊团队更早的,上海交通大学的贾金锋团队就发表了关于发现手性马约拉纳费米子的报告,但是相比前者:
   贾教授团队的工作是马约拉纳费米子的零维版,主要通过扫描显微镜测试;我们研究的是马约拉纳费米子的一维版,主要是做成电子器件来进行宏观电磁测试。
   所以即便上海 科技 大学和上海交通大学的团队没有取得那么多的关注,他们对“天使粒子”研究的贡献也是不可忽略的。
   天使粒子并不是正式的叫法,只是发现者将其这样命名,在此之前,该粒子称为马约拉纳费米子。从这个名字可以看出,马约拉纳费米子有两个部分构成,一个是马约拉纳,一个是费米子。马约拉纳是意大利的理论物理学家,可谓是英年早逝,1906年生,1938年就没了,但他提出了马约拉纳方程,改写了大物理学家狄拉克的方程。后一个是费米子,作为量子粒子中的一个大类,费米子被认为是拥有与自身不同的反粒子,而另一个大类为玻色子,该粒子拥有自身的反粒子。于是,马约拉纳预测,自然界中还有一种特殊的费米子,拥有自身的反粒子,这个粒子就被称为马约拉纳费米子。
   马约拉纳费米子仅仅是预言存在,在自然界中的地位显然要低于“希格斯玻色子”,因为希格斯玻色子的任务是将质量赋予了费米子,而自身则是一种玻色子。从中可以看出,马约拉纳费米子的发现算是验证了马约拉纳的猜想。如果从科学史的角度看,将这个粒子称之为马约拉纳费米子更准确一些,因为这是他预言存在的,这就像有人告诉你这个玩意存在,只是受限于当时的观测技术。如果要将马约拉纳费米子命名为天使粒子,其实还得去问问马约拉纳愿不愿意,因为希格斯玻色子的预言者希格斯不太喜欢上帝粒子这个称呼,从这个角度看,预言者的权重更大一些,在半个世纪前就能通过理论方程进行预言,令人敬佩。

华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么?

6. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么?

首先,天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”,不过,与一般的电子或者质子不同的是, 华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子,而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢?如果说真的粒子是“股票”,那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。 
  
  那么,这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢?这个我  给大家来分析解读一下,不一定对,毕竟我不是张首晟老师,他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了: 
  
  首先,是因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的,从粒子物理的dirac方程可以看出来,一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子,比如电子与正电子不是同一种粒子,而是两种粒子——这就好像我们的手掌,既有左手又有右手,左手不等于右手。但是,这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子,也就是说,这个粒子就好像一种外星人,只有一只手——你说是左手还是右手?所以,按照西方人的思维习惯,一般用“天使与魔鬼”来比喻,那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了,因此被取名叫天使粒子。 
  
 其次,是因为2012年发现一个重要的基本粒子,那就是希格斯粒子,希格斯粒子被称为上帝粒子。现在,也许为了与上帝对应,突出其发现的重要性,所以取名“天使粒子”。
  
   还有,张首晟是著名的天使投资人,丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。 
  
 最后,有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早,年轻的时候就失踪了,成为物理学的谜,这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。
    
    正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。英国物理学家保罗·狄拉克1928年预言,每一个基本粒子都有对应的反粒子。几年后,科学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子,验证了这一预言。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。 
  
    不过,马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现,它和中微子、希格斯—玻色子等一起,成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。如今,张首晟团队终于找到了它存在的证据。 
    
    在寻找“天使粒子”的过程中,张首晟领导的理论团队预言了通过怎样的实验平台能够找到马约拉纳费米子,哪些实验信号能够作为证据;加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆以及欧文分校的夏晶领导的实验团队与理论团队密切合作,在实验中发现了被称为手性马约拉纳费米子的一类最基本马约拉纳费米子。中国的复旦大学和上海 科技 大学对实验也有贡献。 
  
    按照理论团队预言,研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜(即磁性拓扑绝缘体)之上的混合器件。施加低强度外磁场后,研究人员测量到了半整数量子平台,这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。 
  
    张首晟解释说,在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,会出现整数量子平台。这是通常的粒子行为。马约拉纳费米子没有反粒子,相当于半个传统粒子,因此当把普通超导体置于量子反常霍尔效应薄膜之上时,在通常的整数量子平台之外,会新出现半整数量子平台。 
  
     
  
  由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子,从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。 
  
  相关论文发表在今天出版的《科学》杂志上。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海 科技 大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成,通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆,均为华人科学家。

7. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么

首先,天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”,不过,与一般的电子或者质子不同的是,华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子,而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢?如果说真的粒子是“股票”,那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。那么,这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢?这个我给大家来分析解读一下,不一定对,毕竟我不是张首晟老师,他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了:因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的,从粒子物理的dirac方程可以看出来,一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子,比如电子与正电子不是同一种粒子,而是两种粒子——这就好像我们的手掌,既有左手又有右手,左手不等于右手。但是,这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子,也就是说,这个粒子就好像一种外星人,只有一只手——你说是左手还是右手?所以,按照西方人的思维习惯,一般用“天使与魔鬼”来比喻,那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了,因此被取名叫天使粒子。其次,是因为2012年发现一个重要的基本粒子,那就是希格斯粒子,希格斯粒子被称为上帝粒子。现在,也许为了与上帝对应,突出其发现的重要性,所以取名“天使粒子”。还有,张首晟是著名的天使投资人,丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。最后,有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早,年轻的时候就失踪了,成为物理学的谜,这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。

华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么

8. 华人科学家领衔团队找到"天使粒子”有啥现实意义?

物理学迎来重大突破:由4位华人科学家领衔的科研团队终于找到了正反同体的“天使粒子”——马约拉那费米子,从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。
相关论文发表在今天出版的《科学》杂志上。该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成,通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆,均为华人科学家。

张首晟接受采访。
诺贝尔奖获得者Frank Wilczek评价这项工作时说: 张首晟与团队设计了全新的体系, 并在实验中清晰地测量到马约拉那费米子,这真是一项里程碑的工作。
国际同行指出:发现马约拉那费米子是继发现“上帝”粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑发现,不仅具有重大的理论意义,而且具有重要的潜在应用价值:让量子计算成为现实。
“神秘的正反同体粒子,让我们等了80年”
在物理学领域,构成物质的最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物质属性前提下的最小体积物质,也是组成各种各样物体的基础。基本粒子又分为两种:费米子和玻色子,分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。
东方西方哲学家都认为,人类似乎生活在一个充满正反对立的世界:有正数必有负数,有存款必有负债,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。 1928年,伟大的理论物理学家狄拉克(Dirac)作出惊人的预言:宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。根据爱因斯坦E = mc2的质能公式,当一个费米子遇上它的反粒子,它们会相互湮灭,从而使两个粒子的质量消失并转化为能量。
从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。然而,会不会存在一类没有反粒子的粒子,或者说正反同体的粒子?1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那(Ettore Majorana)在他的论文中猜测有这样神奇的粒子存在,即我们今天所称的马约拉那费米子。不幸的是,他本人做出这一猜测后在一次乘船旅行中神秘失踪。自此以后,寻找这一神奇粒子成为了物理学家门梦寐以求的探索目标。

意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那
科学家们认为,在粒子物理中,标准模型范畴之外的中微子可能是马约拉那费米子。而要验证这一猜想,需要进行无中微子的beta双衰变实验。可惜的是,这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。
张首晟把突破口转向凝聚态物理。从2010年到2015年,张首晟团队连续发表三篇论文,精准预言了实现马约拉那费米子的体系及用以验证的实验方案。王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测,成功发现了手性马约拉那费米子,为持续了整整80年的科学探索画上了圆满的句号。
张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”,这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界。”张首晟说。

电影《天使与魔鬼》海报。
“今天的成果,是建立在发现量子反常霍尔效应的基础上”
困扰了物理学界80年的难题是怎样被破解的?张首晟认为,任何科研工作都是建立在已有成果的基础上。天使粒子的发现,得益于先前对量子反常霍尔效应的探索,也是理论和实验结合的成果。
最初,张首晟按常理做了一项推断:既然马约拉那费米子只有粒子、没有反粒子,那么它就相当于传统粒子的一半。他很快意识到,“一半”的概念就是解决问题的关键。
早在2008年,张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应,这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队证实。在实验中,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e2/ h。也就是说,量子世界里的电阻是量子化的,它只能整数倍地跳台阶。
这给了张首晟一个灵感:马约拉那费米子是通常粒子的一半,既然通常的粒子按整数跳,马约拉那费米子或许就是按半整数跳——它一定会呈现出一个奇特的、“1/2的台阶”。由此,他预言手性马约拉那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。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马约拉那费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台,对应1/2倍基本电阻单位e2/ h。


张首晟团队提出的搜寻马约拉那费米子的实验平台: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。
在后续的实验验证中,激动人心的成果出现了:王康隆等实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻来源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性质,因此,多出来的半整数量子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。


王康隆实验团队等在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台,这为马约拉那费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。
“天使粒子带来的量子计算时代,让我充满兴奋和期待”
找到天使粒子有什么现实意义?张首晟指出,从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间,但天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
他解释说,量子世界本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。因此,量子计算机能够进行高度并行的计算,远比经典计算机有效。以算术问题为例,如果给出一个很大的数字,问这个数字能否拆成两个数字的乘积,那么经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。


一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。
然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。因此,量子计算机往往被视为可望不可即的空想。
“通常情况下,量子比特只能放在一个传统粒子内储存,容易被干扰。但如今,天使粒子的发现提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够被拆成两半,存储在两个距离十分遥远的马约拉那费米子上。”
张首晟说,如此一来,传统的噪声很难同时以同样的方式影响这两个马约拉那费米子、进而毁灭所存储的量子信息。“相较于传统的存储方式,基于天使粒子的存储方式极其稳固。”
“我们提出的器件同时还是二维体系,从而允许马约拉那费米子的纠缠和编辫,使得有效的量子计算成为可能,从而解决人类面对的一些艰难问题。”张首晟说,“我对天使粒子巡游的量子天堂充满兴奋与期待。”
祝贺华人科学家出成果!