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“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”

國際視野
豆豆8年前
“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(bào)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(duì)終于找到了正反同體的“天使粒子”——馬約拉那費(fèi)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、上海科技大學(xué)寇煦豐課題組等多個(gè)團(tuán)隊(duì)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。


“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”

▲張首晟


諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Frank Wilczek評價(jià)這項(xiàng)工作時(shí)說: 張首晟與團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了全新的體系, 并在實(shí)驗(yàn)中清晰地測量到馬約拉那費(fèi)米子,這真是一項(xiàng)里程碑的工作。


國際同行指出:發(fā)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)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(jià)值:讓量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)。


“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(fèi)米子和玻色子,分別以美國物理學(xué)家費(fèi)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(gè)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(gè)基本費(fèi)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(gè)費(fèi)米子遇上它的反粒子,它們會相互湮滅,從而使兩個(gè)粒子的質(zhì)量消失并轉(zhuǎn)化為能量。


“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”

▲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(fèi)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(fèi)米子。而要驗(yàn)證這一猜想,需要進(jìn)行無中微子的beta雙衰變實(shí)驗(yàn)。可惜的是,這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(duì)連續(xù)發(fā)表三篇論文,精準(zhǔn)預(yù)言了實(shí)現(xiàn)馬約拉那費(fèi)米子的體系及用以驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案。王康隆等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(fèi)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。


“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”


張首晟將這一新發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉那費(fèi)米子命名為“天使粒子”,這個(gè)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(gè)沒有反粒子的粒子,一個(gè)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常霍爾效應(yīng)的探索,也是理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的成果。


最初,張首晟按常理做了一項(xiàng)推斷:既然馬約拉那費(fèi)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)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(gè)靈感:馬約拉那費(fèi)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(fèi)米子或許就是按半整數(shù)跳——它一定會呈現(xiàn)出一個(gè)奇特的、“1/2的臺階”。由此,他預(yù)言手性馬約拉那費(fèi)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(shí),臨近效應(yīng)使之能夠?qū)崿F(xiàn)手性馬約拉那費(fèi)米子,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(duì)提出的搜尋馬約拉那費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)平臺:由量子反常霍爾效應(yīng)薄膜和普通超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件。


“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”


在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中,激動(dòng)人心的成果出現(xiàn)了:王康隆等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)確實(shí)看到了“1/2的臺階”。這半個(gè)基本電阻來源于馬約拉那費(fèi)米子作為半個(gè)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(fèi)米子的存在提供了有力的印證。


何慶林、王康隆實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和夏晶實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在與張首晟理論團(tuán)隊(duì)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(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)提供了直接而有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。


天使粒子的意義:量子計(jì)算已成可能


找到天使粒子有什么現(xiàn)實(shí)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(shí)間,但天使粒子的發(fā)現(xiàn)意味著量子計(jì)算已成為可能。


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


一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫。


然而,一個(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)量子比特能夠被拆成半,存儲在兩個(gè)距離十分遙遠(yuǎn)的馬約拉那費(fèi)米子上?!?/span>


張首晟說,如此一來,傳統(tǒng)的噪聲很難同時(shí)以同樣的方式影響這兩個(gè)馬約拉那費(fèi)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。”


“我們提出的器件同時(shí)還是二維體系,從而允許馬約拉那費(fèi)米子的糾纏和編辮,使得有效的量子計(jì)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。”


張首晟其人:“離諾獎(jiǎng)最近的投資人”


據(jù)鳳凰科技報(bào)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(gè)公式概括整個(gè)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(gè)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(shí),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?yàn)檫@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(shí),楊振寧卻鼓勵(lì)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。


“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”

▲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(xiàng)理論的發(fā)現(xiàn),張首晟于2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng);2012年獲得美國奧利弗巴克利獎(jiǎng)和狄拉克獎(jiǎng);2014年獲得美國富蘭克林獎(jiǎng)。


張首晟多年來被湯森路透預(yù)測會得到諾貝爾獎(jiǎng),楊振寧則評價(jià)“他獲得諾貝爾獎(jiǎng)只是時(shí)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(gè)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(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)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(gè)浪潮,然后有個(gè)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(shí)在硅谷也是,在這種情況下,更考驗(yàn)投資者的眼光。


“做科研和做投資完全是一個(gè)道理。”張首晟說,“其實(shí)物理學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)緊密相關(guān),很多計(jì)算機(jī)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(gè)數(shù)學(xué)公式上,而這個(gè)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(jì)新聞

編輯:IPRdaily 趙珍  /   校對:IPRdaily   縱橫君


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