破解物理学界80年难题,四名华人科学家发现的“天使粒子”到底是什么?


来源:新京报公号

原标题:破解物理学界80年难题,四名华人科学家发现的“天使粒子”到底是什么?

科学界花了49年证明了“上帝粒子”的存在,然后两位物理学家得了诺奖。如今又花了80年才证明“天使粒子”的存在。

全文1794字,阅读约需3分钟

昨天,一项物理学界的重大发现由4名华人科学家领衔的团队作出:

首次发现了“天使粒子”——马约拉纳费米子(Majorana fermion)存在的证据!


▲科普华人科学家发现的“天使粒子”能干啥。新京报动新闻出品

这个重大发现到底有什么意义?

本着科(hu)学(shuo)严(ba)谨(dao)的精神,小编尽量用大白话把这项非常专业的发现解释清楚。

▲“粒子动物园”中各种类型的例子。

什么是费米子?

我们都知道,粒子是自然界中能够以自由状态存在的最小物质组成部分。费米子就属于众多粒子形态中的一种。

为啥叫马约拉纳费米子?

二元对立是这个世界最普遍的一种状态,比如有正就有反、有阴就有阳、有男就有女……1928年,英国物理学家保罗·狄拉克预言,每个粒子都有其对应的反粒子,这一预言在几年后得到验证。

不过在1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)做出了一个大胆的预言:

有没有可能存在这样一种粒子,他的反粒子就是自身?

▲意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳。

这种正反同体的粒子即被命名为马约拉纳费米子。(用“雌雄同体”是不是更好理解?)

不过,马约拉纳费米子到底存不存在?科学家们找啊找啊……在80年后的今天,终于由4位华人科学家领衔的团队找到了。

马约拉纳费米子为啥被称作“天使粒子”?

团队之一的张首晟教授说,好莱坞电影《天使与魔鬼》中将正粒子比喻为天使、反粒子称作为魔鬼,而正反同体的马约拉纳费米子的世界里,“只有天使,没有魔鬼”。

▲美国斯坦福大学张首晟教授。

为啥说这一发现能得诺奖?

2013年,来自英国和比利时的物理学家希格斯和恩格勒获得诺贝尔物理学奖,以表彰他们“对希格斯玻色子的预测”。玻色子也是粒子的一种,由希格斯在1964年提出,后被称作“上帝粒子”,2013年3月被欧洲核子研究组织探测到。

对比之下,科学界花了49年证明了“上帝粒子”的存在,然后两位物理学家得了诺奖。如今又花了80年才证明“天使粒子”的存在。

所以……

这一发现有何现实意义?

量子物理学的发现要应用到实践中,通常会有比较远的路要走。“天使粒子”发现的最重要现实意义,在于未来或能帮助建造更稳定的量子计算机。

讲了这么多,明白一点了没?

还没明白的话,小编昨天下午联系到了4名科学家之一的加州大学洛杉矶分校(UCLA)王康隆教授,我们来听听他怎么说。

新京报:怎么想要去寻找马约拉纳费米子的?

王康隆:从1937年开始,针对这个假设的实验就没有取得突破性进展。近10年来,西方有很多人在探究它的存在,用了各种不同的方法,但都只得到了模棱两可的结果。我们也想用实验去证明它的存在。

新京报:为啥叫它“天使粒子”?

王康隆:这个粒子本身就具有浪漫主义色彩。中国人讲,有阴必有阳。很久以来,物理学也认为,宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。但马约拉纳费米子不一样,它是正反同体的,就像是天使给我们的物质一样。

不过,“天使粒子”这个名字我也是昨天才听说,我认为不太适合。我觉得“太极粒子”可能更贴切。马约拉纳费米子正反同体,就像道家的阴阳八卦图一样。

▲王康隆受聘为清华大学微电子学研究所客座教授。

新京报:花了多久才发现它的存在?

王康隆:发现“天使粒子”对我们团队而言是一个意外的惊喜。我们最初并没有说,“哇,我们十几年后一定要找到‘天使粒子’”,而是在准备了大量的实验材料,做了大量的前期研究后,才一步一步走到这里的。

虽然从最初准备实验到现在已经有13年了,但我们真的很惊喜,没想到这么顺利就能发现“天使粒子”。

新京报:几个团队是怎么组成的?

王康隆:实验的主要参与者都是华人。上海科技大学的寇煦丰和UCLA的何庆林都是我的学生,张首晟教授带领的斯坦福大学研究团队是后来加入的。

这个实验非常复杂,参与其中的科研人员不计其数。设计实验目标与过程、主要的实验操作、撰写论文这些主要工作,主要是我和UCLA的团队完成的。

▲发现“天使粒子”的实验平台。

新京报:会以此冲击诺贝尔奖吗?

王康隆:从来没想过。我是做科学的,做科学的不会想这个问题,只想好好把实验做好。我认为诺奖是一个机遇,每天想拿奖不好,就不是一个做学问的态度了,就不是为了做物理,而是为了奖去做的。

新京报:接下来有什么计划?

王康隆:我还想进一步探究下去。高级动物有男有女,两性是分开的。但再往细微处研究,细胞就没有男女之分了。粒子是更基础的物质,今天,我们发现一个粒子可以既包含阴性又包含阳性。那么,更基础的物质是什么样的?这个世界究竟是什么样的?我想进一步探究下去。

而且,这次实验都是在美国完成的,以后的实验,我想和国内合作研究,这就更棒了。

文/池宁乔

值班编辑:一鸣 张一对儿


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