“上帝粒子”之后，物理學(xué)再迎重大突破！華人科學(xué)家找到了“天使粒子”

原標(biāo)題：“上帝粒子”之后，物理學(xué)再迎重大突破！華人科學(xué)家找到了“天使粒子”

據(jù)人民網(wǎng)7月21日報道，物理學(xué)迎來重大突破：由4位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉那費米子（Majorana fermion），從而結(jié)束了國際物理學(xué)界對這一神秘粒子長達(dá)80年的漫長追尋。

相關(guān)論文發(fā)表在今天出版的《科學(xué)》雜志上。該成果由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組和美國斯坦福大學(xué)教授張首晟課題組、上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等多個團(tuán)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(xué)家。

▲張首晟

諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek評價這項工作時說: 張首晟與團(tuán)隊設(shè)計了全新的體系, 并在實驗中清晰地測量到馬約拉那費米子，這真是一項里程碑的工作。

國際同行指出：發(fā)現(xiàn)馬約拉那費米子是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值：讓量子計算成為現(xiàn)實。

“神秘的正反同體粒子，讓我們等了80年”

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)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(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)?；玖Ｗ佑址譃閮煞N：費米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費米和印度物理學(xué)家玻色的名字命名。

東方西方哲學(xué)家都認(rèn)為，人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有存款必有負(fù)債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。

1928年，偉大的理論物理學(xué)家狄拉克(Dirac)作出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。根據(jù)愛因斯坦E=mc2的質(zhì)能公式，當(dāng)一個費米子遇上它的反粒子，它們會相互湮滅，從而使兩個粒子的質(zhì)量消失并轉(zhuǎn)化為能量。

▲狄拉克和刻在他墓碑上的方程

從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是絕對真理。然而，會不會存在一類沒有反粒子的粒子，或者說正反同體的粒子？1937年，意大利理論物理學(xué)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后在一次乘船旅行中神秘失蹤。自此以后，尋找這一神奇粒子成為了物理學(xué)家們夢寐以求的探索目標(biāo)。

科學(xué)家們認(rèn)為，在粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型范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(jìn)行無中微子的beta雙衰變實驗?？上У氖牵@項實驗所要求的精度在今后的10年到20年以內(nèi)都難以達(dá)到。

張首晟把突破口轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理。從2010年到2015年，張首晟團(tuán)隊連續(xù)發(fā)表三篇論文，精準(zhǔn)預(yù)言了實現(xiàn)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(tuán)隊依照張首晟的理論預(yù)測，成功發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉那費米子，為持續(xù)了整整80年的科學(xué)探索畫上了圓滿的句號。

張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”，這個名字來源于丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。張首晟說：

“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認(rèn)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?！?br/>

“一半”的概念是解決問題的關(guān)鍵

困擾了物理學(xué)界80年的難題是怎樣被破解的？張首晟認(rèn)為，任何科研工作都是建立在已有成果的基礎(chǔ)上。天使粒子的發(fā)現(xiàn)，得益于先前對量子反?；魻栃?yīng)的探索，也是理論和實驗結(jié)合的成果。

最初，張首晟按常理做了一項推斷：既然馬約拉那費米子只有粒子、沒有反粒子，那么它就相當(dāng)于傳統(tǒng)粒子的一半。他很快意識到，“一半”的概念就是解決問題的關(guān)鍵。

早在2008年，張首晟理論就預(yù)言了量子反?；魻栃?yīng)，這一預(yù)言在2013年被清華大學(xué)教授薛其坤領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團(tuán)隊證實。在實驗中，隨著調(diào)節(jié)外磁場，反常量子霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)出量子平臺，對應(yīng)著1、0、-1倍基本電阻單位e2/h。也就是說，量子世界里的電阻是量子化的，它只能整數(shù)倍地跳臺階。

這給了張首晟一個靈感：馬約拉那費米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整數(shù)跳，馬約拉那費米子或許就是按半整數(shù)跳——它一定會呈現(xiàn)出一個奇特的、“1/2的臺階”。由此，他預(yù)言手性馬約拉那費米子存在于一種由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中。當(dāng)把普通超導(dǎo)體置于反常量子霍爾效應(yīng)薄膜之上時，臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性馬約拉那費米子，相應(yīng)的實驗中會多出全新的量子平臺，對應(yīng)1/2倍基本電阻單位e2/h。

張首晟團(tuán)隊提出的搜尋馬約拉那費米子的實驗平臺：由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件。

在后續(xù)的實驗驗證中，激動人心的成果出現(xiàn)了：王康隆等實驗團(tuán)隊確實看到了“1/2的臺階”。這半個基本電阻來源于馬約拉那費米子作為半個傳統(tǒng)粒子的特殊性質(zhì)，因此，多出來的半整數(shù)量子平臺為手性馬約拉那費米子的存在提供了有力的印證。

何慶林、王康隆實驗團(tuán)隊和夏晶實驗團(tuán)隊在與張首晟理論團(tuán)隊合作下所測量到的與理論預(yù)測符合的半量子電導(dǎo)平臺，這為馬約拉那費米子的發(fā)現(xiàn)提供了直接而有力的實驗證據(jù)。

天使粒子的意義：量子計算已成可能

找到天使粒子有什么現(xiàn)實意義？張首晟指出，從基本科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用往往需要多年時間，但天使粒子的發(fā)現(xiàn)意味著量子計算已成為可能。

他解釋說，量子世界本質(zhì)上是平行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。因此，量子計算機能夠進(jìn)行高度并行的計算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計算機有效。以算術(shù)問題為例，如果給出一個很大的數(shù)字，問這個數(shù)字能否拆成兩個數(shù)字的乘積，那么經(jīng)典計算機只能用窮舉法逐一嘗試整除計算，而量子計算機可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。

然而，一個量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環(huán)境噪聲就能毀滅其量子特性。因此，量子計算機往往被視為可望不可即的空想。

“通常情況下，量子比特只能放在一個傳統(tǒng)粒子內(nèi)儲存，容易被干擾。但今，天使粒子的發(fā)現(xiàn)提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠被拆成半，存儲在兩個距離十分遙遠(yuǎn)的馬約拉那費米子上?！?/span>

張首晟說，如此一來，傳統(tǒng)的噪聲很難同時以同樣的方式影響這兩個馬約拉那費米子、進(jìn)而毀滅所存儲的量子信息。“相較于傳統(tǒng)的存儲方式，基于天使粒子的存儲方式極其穩(wěn)固?！?/strong>

“我們提出的器件同時還是二維體系，從而允許馬約拉那費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能，從而解決人類面對的一些艱難問題?！睆埵钻烧f，“我對天使粒子巡游的量子天堂充滿興奮與期待?！?br/>

張首晟其人：“離諾獎最近的投資人”

據(jù)鳳凰科技報道，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(xué)學(xué)習(xí)。他學(xué)的是理論物理專業(yè)，這也是楊振寧的專業(yè)。

但理論物理的就業(yè)面太窄，張首晟一度開始擔(dān)心自己的前途。但當(dāng)他來到哥廷根大學(xué)附近的一塊墓地，看到里面埋葬的一些物理學(xué)家都是用其生前發(fā)現(xiàn)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(xiàn)給物理學(xué)研究。

還有一個選擇對張首晟產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)年在柏林自由大學(xué)學(xué)習(xí)時，張首晟一直將大統(tǒng)一理論當(dāng)成自己的學(xué)術(shù)目標(biāo)。因為這是愛因斯坦努力一生的事業(yè)，也是楊振寧的領(lǐng)域。

但是當(dāng)他師從楊振寧時，楊振寧卻鼓勵張首晟去研究凝聚態(tài)物理。楊振寧認(rèn)為他自己所處的領(lǐng)域要想有所突破已經(jīng)很難，而凝聚態(tài)物理剛剛興起，發(fā)展很快。

▲張首晟與導(dǎo)師楊振寧

最后，張首晟在楊振寧的指導(dǎo)下，開始在凝聚態(tài)領(lǐng)域工作。

接下來，1996年，年僅33歲的張首晟被評為斯坦福大學(xué)終身教授。隨后，憑借拓?fù)浣^緣體和量子自旋霍爾效應(yīng)兩項理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于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。

張首晟多年來被湯森路透預(yù)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(fā)現(xiàn)，是否能讓張首晟眾望所歸。

而除了科學(xué)家，張首晟還有一個著名的身份——丹華資本的創(chuàng)始人。

張首晟的偶像是橫跨科學(xué)界、企業(yè)界、政治界的富蘭克林，因此他認(rèn)為：如果科學(xué)原理可以治國，為何不可指導(dǎo)投資？于是，2013年，張首晟與谷安佳博士聯(lián)合創(chuàng)立丹華資本，正式進(jìn)軍投資界。

截至去年年底，丹華資本就已投資50家企業(yè)，投資領(lǐng)域主要包括大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、機器人與智能硬件。人工智能也是張首晟關(guān)注的領(lǐng)域之一，在他看來，人工智能的風(fēng)口已經(jīng)來臨，但卻不是誰都能抓住。

他曾向記者表示，任何技術(shù)的發(fā)展總是先有一個浪潮，然后有個大浪淘沙，之后真正的英雄才會出現(xiàn)。中國投資界的振幅尤其大，其實在硅谷也是，在這種情況下，更考驗投資者的眼光。

“做科研和做投資完全是一個道理。”張首晟說，“其實物理學(xué)和計算機學(xué)緊密相關(guān)，很多計算機科學(xué)里面的算法也是從理論物理學(xué)里衍生而來。像Google的Page Rank的算法，表面上看起來非常復(fù)雜，卻最終可以歸結(jié)到一個數(shù)學(xué)公式上，而這個數(shù)學(xué)公式在物理學(xué)里也被非常透徹地研究過?！?br/>

來源：每日經(jīng)濟新聞

編輯：IPRdaily 趙珍  /   校對：IPRdaily   縱橫君

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