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张首晟首次公开解密“天使粒子”

张首晟首次公开解密“天使粒子”


7月21日,Science上的一篇论文,引发了朋友圈的刷屏。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)。


应长城会创始人文厨之邀,“天使粒子”的发现者之一张首晟教授在文章发表后的第一时间做客“文谈”,与文厨饮茶畅谈,从天使粒子说到文艺复兴,从文艺复兴说到了科学复兴,并详细地解释了物理学界历时80年对天使粒子的搜寻和探索。


张首晟首次公开解密“天使粒子”

张首晟教授与文厨


以下是张首晟教授对天使粒子的解释:


任何伟大的科学发现,最终与哲学思想都有一定的关系。在我们的日常生活中,大家好像始终看到,世界是处于一个对立的状态:有正数必然有负数,有善必有恶,有存款就必然有借款,有天使必然有魔鬼,有阴必有阳。在这样的宏观世界中,好像充满着这样的对立面,尤其是有天使必有魔鬼。但是我们也知道,世界最终是由基本粒子组成的。


那么大家可能就会问,在基本粒子的层次,世界的对立面是如何体现出来的呢?


大概在1928年的时候,有一位非常伟大的理论物理学家保罗·狄拉克,他想把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学这重大的分支统一起来。狄拉克在统一的过程中写下了一个方程,在推导的过程中,他发现要开一个根号,也就是像是我们在中学学到的,根号9的解包括+3与-3,狄拉克发现这个方程除了正解之外也有一个负能的解,所以有些能量是正的,有些能量是负的。狄拉克当时觉得非常奇怪——好像世界上所有的粒子能量都应该是正的,怎么会出现一个负能的解呢?一般不太优秀的理论物理学家可能就会把负的解去掉,但是狄拉克作为非常严谨的科学家,他在当时认为:既然方程如此预言,它其中肯定有一个深奥的含义。于是,他做了一个非常大胆的预言——如同我们的宏观世界有两边对立,微观世界也是这样,正能解和负能解的出现就表示,有粒子便必然有反粒子。


张首晟首次公开解密“天使粒子”

保罗·狄拉克


当时狄拉克提出预言时,大家觉得非常惊奇,因为世界上似乎从未出现过反粒子的概念。那么什么叫做反粒子呢?举个例子,如果我有一个粒子,比如说是电子。电子带着负电,并有一定的质量,那么它的反粒子即为与它所有别的性质都一样,但是电荷与之相反的粒子。如果电子带负电,有一定的质量,那么按道理说,它的反粒子应该是带正电,也是有同样的质量。


当时,人们知道的粒子里面有一种叫质子,比如说氢原子就只有一个质子和一个电子。但是氢原子的原子核就是一个质子,虽然它带的是正电,的确是与电子相反,但是它的质量是电子的2000倍,所以不可能是电子的反粒子,所以大家都觉得狄拉克的理论肯定是不对的,因为这与对大自然的观察是不相吻合的。但是在这个关键的时候,狄拉克说:“我的方程和方程的解非常美丽,大自然肯定也是这样。”


人们觉得狄拉克非常傲慢,明明真理一定是从实践当中才能得出,仅凭美丽的方程式就能判断世界和宇宙都是这样吗?


狄拉克非常幸运。在我们的物质世界中,的确非常难找到反粒子,但是过了五年后,人们在观察宇宙射线的时候,确实发现了反粒子的存在——狄拉克的预言变成了伟大的科学发现,从此人类开始认识到有粒子必然有反粒子。伟大的科学家也像先知一样,用美丽的方程去预言大自然。


那么粒子和反粒子放在一起会发生什么事情呢?


大家可能都知道爱因斯坦的方程 E=mc2,这就是说电子和正电子碰在一起,它们的质量就会全部消失,两个粒子会被同时淹没,物质也会消失,从而完全变作能量。能量的多少是可以用爱因斯坦的这个公式算出来的。可想而知,这个能量就像炸弹一样。


所以大家可能听过原子弹,比原子弹更厉害的是氢弹,但是比氢弹更厉害的就是反粒子弹,因为它的能量密度高。所以正电子它可以用来造福于人类,也可能是来破坏整个宇宙的。怎么造福于人类呢?如果你被怀疑有阿茲海默症,也就是老年痴呆症的话,要去做一个叫PET的医学测试,这里面的P就是正电子的意思。但是它也可以威胁人类。著名的小说家丹·布朗写了本小说,叫《天使与魔鬼》。他在这本小说中,把天使与魔鬼的搏斗看成是粒子与反粒子之间的对应,里面描写了一些恐怖分子,他们想造一个反粒子的炸弹,但是反粒子不容易被拿到,所以他们去欧洲的实验室去将反粒子偷出来。然而反粒子的储存是非常难的,因为我们的世界充满了粒子,如果找到一个反粒子出来的话,它立刻就会被淹没。因此需要将之装在一个非常复杂的仪器中,使反粒子悬在真空中,不跟任何一个粒子碰撞,一旦容器被打碎,就会变成一个炸弹。只需要一百万分之一颗的反粒子,就有四吨TNT的威力。小说描写的就是这样一个故事,有粒子必然有反粒子,而且反粒子有非常大的威胁。


随着科学往前进步,起先大家不知道有反粒子,自从狄拉克的理论预言后,人们了解了反粒子的存在,随后电子有了它的反粒子,质子也找到了反质子,中子的反粒子“反中子”也被找到。所以大家就认为这肯定是宇宙的真理,而且它正好和我们的哲学观念也非常吻合,我们中国也讲阴阳两极的论点。


过了一阵子之后,物理学家埃托雷·马约拉那做了一个猜想,他说会不会有一些粒子它就没有反粒子呢?然后他也写了一个方程,解出来也的确是非常奇妙——这个粒子就是没有反粒子。然而,在1937年发表这篇文章后,人们对他并不理睬,文章也没有引发什么反响。马约拉那非常失落,受到了很大打击的他从此人间蒸发了。到底有没有“不存在反粒子”这件事,从此也成为了一个谜。


张首晟首次公开解密“天使粒子”

埃托雷·马约拉那


我很喜欢丹·布朗的那本小说,所以我就把这个粒子称为天使粒子——因为这相当于是一个完美的世界,只有天使,没有魔鬼,只有一边,没有对立的另外一边。同时,这也有一个更深的原理——天使是没有性别的,所以天使粒子这一名称也体现了这个概念。


在整个物理学界,马约拉那的猜想影响非常深刻。物理学家们整理了一张清单,在其中列出了人们最想找到的粒子。第一个就是希格斯玻色子,也叫上帝粒子。2012年在欧洲的粒子物理加速中心,人们找到了希格斯玻色子,这在当时是个非常振奋的发现。第二位就是我们所提到的天使粒子,第三位则是暗物质粒子。科学家们一直都在致力于寻找、证明这些粒子的存在。


然而,在天使粒子的寻找过程中,马约拉那在消失前,只为人们留下了一个数学方程,也就是马约拉那波动方程后,大家都不知道去哪里找天使粒子。


2010年至2015年,我与我在斯坦福的团队针对天使粒子一共写了三篇文章。第一篇文章,主要是理论,论述的是“在哪里能找到天使粒子”。


大家可能知道,我是拓扑绝缘体领域的发明者。那么我的整个思路都是从拓扑绝缘体而来的。在2006年,我发明了全世界第一个拓扑绝缘体,2007年就在德国维尔茨堡大学的实验中得到证实。然后我就在这里面逐次加一点,就总会发现新的东西。2008年我提出,在这个拓扑绝缘体的的系统里放一些磁性杂质,马上就会有一个新的效应,也就是量子自旋霍尔效应,我得的那些科学奖项也主要是奖励这个工作的。到了2008年的时候,我就提出在这里面加一些磁性材料,结果导致了一个新的效应,叫量子反常霍尔效应。后来这个在我们与清华大学薛其坤院士的合作中也被证明了。于是,我们就想往上面再放一个超导体。这就像做蛋糕一样,在磁性拓扑绝缘体的上面再放一层,就是放一个超导体,在这个系统里面,就能找到天使粒子——这是我们的第一个预言。


随后,我们就写了第二篇文章,主要论述了怎样测量。


在量子反常霍尔效应的体系中,电阻始终是跳跃的,通常的台阶是0,-1,+1,+2,这样整数倍地在跳跃。因为天使粒子只有一面,它又是它自己的反粒子,或者它没有自己的反粒子,所以在某种意义下,我们可以认为,天使粒子是通常粒子的一半。一旦天使粒子出现的时候,就会出现半个整数的台阶,所以我们就写了第二篇文章,论证了怎样测量可以验证天使粒子的存在。在第三章文章,我们就写了一个非常详尽的指导,让实验学家做实验,也就是在通过调节外加磁场的时候,在某个地方就可以看到这个半整数的台阶。这三篇文章发表后,大家都觉得是非常好的建议,是非常可行的计划。


然后我们就开始跟实验学家朋友联系,在2015年的8月,我们就向UCLA的王康荣教授建议做这个实验,他也非常高兴地采纳了我们的建议,于是我们就一起合作,去验证这个理论的正确性。


理论物理学家要做的工作是要把预言做得非常精准,但是具体要做还是一个非常困难的实验,尤其是这个“蛋糕”非常不容易烤,因为底下有一层,上面有一层,搞不好两边就会混起来。所以实验学家也是要做非常大的努力和贡献。大家都有很高的合作精神,有UCLA的王康隆教授,UC Davis的刘凯教授,UC Irvine的夏晶教授,主要是通过这三个实验小组的合作,最终在我们预言的体系和材料中,把这个“蛋糕”给烤出来了。在烤完之后,我们做了一个测量,发现的确是在通常的0,1,2这样的整数台阶当中,半整数台阶的存在。


此后我们就将文章投给了Science期刊,得到了专家的肯定,随后根据批语补充了需要的实验,更是铁证如山地证明了我们所预言的天使粒子的存在。最终,我们的文章于2017年7月21日在Science发表。


追求真理,这是一个漫长的过程,但是现在在国际领域内,大家都给予了非常肯定的评价。从理论的架构到实验的执行,都是非常难的,然而我们最终成功做到了。追溯到1937年,这整整80年的搜寻,这么高难度的实验最终是被我们华人科学家团队完成了,我也想在这里对我们的实验科学家朋友们表示最由衷的敬意。


这一发现把我们人类带入了一个全新的时代,使得我们认识到,这个世界上还可以把一个最基本的粒子拆成两半,在这个激动人心的时刻,我就把它命名为天使粒子,一方面是因为我看了丹·布朗关于天使与魔鬼的小说,如果粒子没有反粒子,那么就好像找到了一个完美的世界,没有魔鬼,只有天使;另一方面,天使是一个美丽的形象,而天使粒子也是真正代表了大自然最美丽的思想的实现。


科学复兴


长城会创始人文厨认为,在呼唤科学复兴的时代,科技的源头就是科学。在过去几十年里,随着电脑、互联网和移动互联网的蓬勃发展,科学技术得到极大地普及和应用。“我们认为未来几百年,科学将迎来人类有史以来最美妙的春天,一个科学复兴时代。”


我们每一个人都需要科学精神,需要科学家视野、思维和思想。


张首晟教授谈科学复兴


在科学复兴的时代,我也在尽我所能去引导和传授。除了把拓扑绝缘体这一研究成果带到中国,在教学过程中,我所传授的最核心的价值,就是引导学生自主学习的这一套教学方法。通过实例,引发学生们的兴趣,增强学生们自主学习和研究的能力。同时,我也将我在学术过程中的经验分享出去,将我对学术的审美观传达给学生。


现在是双创的时代,斯坦福大学正是产学研结合的典范。而我在斯坦福成功天使投资了VMware,人们常常问我关于产学研结合和天使投资的经验。仅是说两句经验,那肯定是不够的,不如一边做一边学——于是我就成立了风险投资基金丹华资本,建立斯坦福与中国的桥梁。在这个过程中,我们通过投资,把原先纸上谈兵的经验谈,变成了真正的实践,去看看别人的公司是怎么成功地将产学研结合起来的。由此以来,我们也可以借此桥梁,把我们的双创做得更好,做更多的贡献。


我相信科学复兴将会是未来的趋势,而正如文艺复兴的中心弗洛伦萨一样,科学复兴的中心很有可能不仅仅在美国的硅谷,我希望下一个硅谷会是北京、上海、深圳,或者杭州。


关于本次长谈的直播全程回顾,欢迎扫描下方二维码观看:


张首晟首次公开解密“天使粒子”


(小福利:直播中张教授还谈到了他和夫人的爱情故事)


张首晟首次公开解密“天使粒子”


后记:


与张首晟教授的这次长谈只是个开始,世界小邮差文厨还将在最近邀请更多全球顶级大咖来做对谈,硅谷Live将会做全程直播。硅谷,是个人才聚集的地方,我们也相信更多的思维碰撞会在这里诞生。


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