物理学又获历史性突破: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(Majorana fermion),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。

然而哈佛大学物理学博士王孟源近日撰文称,所谓“天使粒子”有“吹嘘炒作”之嫌,他“奉劝中国物理界诸君,不要被美国学术界的假大空文化诱惑,应该坚持自己对事实与逻辑的执着,因为事实与逻辑才是真正的普世价值。”

究竟谁说的对?我们细细看来。

什么是“天使粒子”?

相关论文发表在7月21日出版的《科学》杂志上。有意思的是,联合完成该成果的三个研究团队的领衔者均为华人科学家:美国斯坦福大学教授张首晟理论团队与加利福尼亚大学洛杉矶分校何庆林、王康隆实验团队和加利福尼亚大学欧文分校的夏晶实验团队。其中,张首晟教授是中科院外籍院士、“千人计划”学者、清华大学教授。 20170725-Majorana-fermion-1 由美国斯坦福大学教授张首晟(图)领衔的科研团队,找到正反同体的〝天使粒子〞-马约拉纳费米子。(source:youtube视频截图)

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,以上物质和磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。这次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保罗.狄拉克(Paul 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,就像是一对双胞胎,但是带着正负能量。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。 Ettore_Majorana 图: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。来自加利福尼亚大学洛杉矶分校和加利福尼亚大学欧文分校的两个实验团队依照张首晟的理论预测,成功发现了手性(注1)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。 20170725-Majorana-fermion-6 图:搜寻手性Majorana费米子的实验平台

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。 20170725-Majorana-fermion-2 电影《天使与魔鬼》剧照

“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:两个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。

何庆林、王康隆实验团队和夏晶实验团队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。 20170725-Majorana-fermion-3 图:多个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。”

质疑者说

认为这一发现尸炒作的哈弗大学物理学博士王孟源在文中称,天使粒子这个概念“很明显又是特朗普(Donald Trump)和马斯克(Elon Musk)之流做商业吹嘘的手法,利用欧美对基督教的迷信来引诱大众媒体广泛传播,和科学求真求实的精神背道而驰”。他解释:“这次的研究是一个凝态物理实验。凝态物理一贯忽略物质是由许许多多个别基本粒子组成,而把它简化为一个背景的模型。”

“这类所谓的‘天使粒子’,早就被好几个欧美的团队发现过了。”

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”。

由此推断,想让“天使粒子”来推动量子计算机技术的发展,以现在的进度还为时尚早。

尽管已有媒体澄清此次发现的“天使粒子”其价值并没有想象中的大,但这个华人科学家团队还是受到了质疑,首当其冲的就是张首晟。

师从杨振宁,名下有风投公司

据媒体介绍,张首晟祖籍江苏高邮,1963年生于上海,1978年在未读过高中的情况下考入复旦大学物理系,先后到柏林自由大学和纽约州立大学石溪分校攻读硕士和博士,师从杨振宁。1996年时,年仅33岁的张首晟被斯坦福大学聘为终身教授,2011年当选美国国家科学院院士。张首晟多次被汤森路透(Thomson Reuters)预测会获得诺贝尔奖,杨振宁则称“他得诺奖只是时间问题”。 20170725-Majorana-fermion-5 张首晟曾获得欧洲物理奖、美国奥利弗巴克利奖、狄拉克奖(Dirac Medal)与美国富兰克林奖等奖项。

王孟源在文中指,“(我)发现张首晟开办了一个风险投资公司,叫做丹华资本,目前资金有1亿美元左右(这些基金的管理费,一般有每年2%的底线,然后才加上获利分成;所以生意好坏,主要不在于投资报酬率的正负,而在于能拿到多少资金),主要在中国募款,投资人包括清华大学。那么他如此积极地做商业性炒作,而且是针对中国方向做商业性炒作,动机就很明显了,原本就是出于商业考虑,要在中国圈钱。”

不过,截至目前为止,张首晟并未对此作出回应。

注1:手性(chirality、/kaɪˈrælɪtiː/)一词源于希腊语词干〝手〞χειρ(ch[e]ir),在多种学科中表示一种重要的对称特点。 如果某物体与其镜像不同,则其被称为〝手性的〞,且其镜像是不能与原物体重合的,就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。

本文综合自人民网、新浪综合、多维新闻报道

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