马约拉纳费米子的发现意味着什么？.docx

第四十八章：马约拉纳费米子的发现，意味着什么在2017年之前，包括我在内的大多数人是不了解马约拉纳费米子的但2017年7月之后，很多中国人都知道了有这么一个叫马约拉纳费米子的东西一时间网络媒体，等都在报道，相当火热后来又有报道说这个新闻有炒作嫌疑那么到底马约拉纳费米子是什么粒子？其发现的重大意义是什么？我们一起来了解一下马约拉纳费米子（英语：Majorana fermion）是一种费米子，它的反粒子就是它本身，1937年，埃托雷·马约拉纳发表论文假想这种粒子存在，因此以他的名字命名与之相异，狄拉克费米子，指的是反粒子与自身不同的费米子除了中微子以外，所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子雷同（在电弱对称性破坏后），但是中微子的本质尚未确定，中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费米子在凝聚态物理学里，马约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于超导体里，它可以用来形成具有非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态那么什么是准粒子？ 就是大家必须要知道的准粒子的概念是这样的：在物理学中，准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象例如固态系统中会好像存在着另一种虚拟的粒子以电子在半导体中的运动为例，电子在运动过程中受到来自原子核以及其它电子的作用，然而其行为可以视作带有不同质量的自由电子。

这个带有不同质量的“电子”称为“准电子”另外一个实例是在半导体的价带集体行进的电子，其行为可以视作半导体中存在着带正电的空穴往反方向运行 其它的准粒子包括声子（来自固态系统中原子的振动）、等离子体（来自等离子体的振荡）等许多种类作为少数简化多体问题的手段之一，准粒子的概念在凝态物理尤其重要不知道大家看了简介理解了没有？准粒子或称集体激发是一种发生在微观复杂系统的突现现象你怎么理解这句话？可以这样理解，就是为了解释在微观系统中出现的一些突显现象，物理学家假设这是有一种粒子造成的，就把这种粒子称为准粒子，或者叫集体激发这样大家应该可以理解事实上，造成这样的现象是不是粒子行为或集体自微扰，还不确定也就是说准粒子不一定是真实的粒子也可能是真实粒子，就像上面介绍中说的，中微子可能就是马约拉纳费米子但大多数准粒子的描述，是为了简化系统，简化计算，才提出的有点像我在前面章节中介绍的虚粒子的概念但还是有不同毕竟准粒子是直接对接实验现象的而虚粒子就不一定了，可能是单纯的为了迎合理论而设定的还是再给大家举一个例子电荷这个词大家都熟悉，初中就知道了我么我问大家：“点电荷是真实粒子吗？”答案是否定的，点电荷不是真实粒子。

因为电荷是一种物质的性质，它本身不是粒子电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质我们称带有电荷的粒子为“带电粒子”所以点电荷是带电粒子的理想模型真正的点电荷并不存在这和上面提到的准粒子是一样的概念然后我们来了解一下这个粒子的相关历史吧这一概念由马约拉纳于1937年提出的，他对狄拉克方程改写得到了马约拉纳方程，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为反粒子是自身马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示埃托雷·马约拉纳出生在位于西西里岛的卡塔尼亚，自小便拥有极高的数学天分他在非常年轻的时候就加入了恩里科·费米在罗马大学的研究团队，成为“Via Panisperna boys”的一员这个绰号来自其实验室所在的地址在1923年刚进大学时，马约拉纳读的是工程学1928年，在埃米利奥·吉诺·塞格雷的建议下转到物理领域1932年，他发表了一篇论文，研究在随时间变化的磁场下的原子光谱伊西多·拉比以及其他人同时也在研究这个问题而这个问题也开启了原子物理理重要的新分支——无线电磁波频谱同一年，马约拉纳写了另一篇文章探讨相对论性的粒子在这篇文章里，为了允许带任意动量的粒子，他发展并应用了洛伦兹群的无穷多维表示，并且写下了有关基本粒子质量的理论基础。

就如同马约拉纳大部分以意大利文写作的文章一样，这篇文章几十年来并没有受到广大的注意1933年初，马约拉纳离开意大利他到了德国他到了莱比锡，跟海森堡合作研究原子核的理论他后来亦曾到哥本哈根跟玻尔合作同年秋天，马约拉纳回到罗马他在德国患上了胃炎，健康十分恶劣他得要严格控制饮食，使得他脾气变得十分暴躁，对家人冷酷他在学院出现的时候越来越少，大部分时间都留在家中，像个隐士一样，与朋友不相往来，亦不发表文章这段期间，除了研究原子物理之外，他写了很多在其他范畴的文章，有地球物理学、电机工程、数学、相对论等1937年，他得到那不勒斯大学的教授教职当时的意大利物理界对马约拉纳的评价甚高，大学部门破格不需要马约拉纳通过考试便聘用了他几个月后，他突然失踪了那时他到巴勒莫旅行有人猜测是他想到那里探望当年鼓励他攻读物理的塞格雷不过，当时塞格雷却在美国加州，因为塞格雷是犹太人，1938年的意大利墨索里尼政府容不下他马约拉纳是由巴勒莫回航到那不勒斯时失踪的，人们找不到他的尸体在乘船到巴勒莫几日之前，他曾在银行户口取出大量金钱这就是这位提出马约拉纳费米子的人物的简介就像马约拉纳费米子一样，他的失踪也像谜一样我们不去猜测他遭到了不测。

因为任何猜测都已经过时过时不候，这就是生命！那么他提出这个粒子，就有人思考这个粒子存在吗？ 就像希格斯提出希格斯粒子，就有人在做实验去证实，到底存不存在？ 结果在2013年发想，希格斯粒子是存在的引起了震动，被认为划时代的发现重点来了，希格斯粒子是准粒子吗？ 答案是这样的在没有实验证实之前，它只是一种理论粒子可以说是准粒子但现在它是基本粒子，是实在粒子那么我接下来我们回顾一下华人科学家张首晟团队的发现新闻众多，我找可靠高的人民网的报道，摘录一些，大家回顾一下内容如下【为了阅读的质量和大家的时间，我做了前后删减】：人民网北京7月21日电 （洪蔚琳、赵永新）物理学迎来重大突破：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，从而结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻相关论文发表在今天出版的《科学》杂志上该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成，通讯作者为何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆，均为华人科学家张首晟接受本网记者采访赵永新摄诺贝尔奖获得者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，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狄拉克(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王康隆等实验团队依照张首晟的理论预测，成功发现了手性马约拉那费米子，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电影《天使与魔鬼》海报今天的成果，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：王康隆等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后面的内容是关于张首晟教授对于量子计算机前景的谈话，对于本章内容不是罪关键的，所以进行了删除大家可以在人民网看到这篇文章标题为《物理学重大突破：科学家找到“天使粒子”》好了，现在我们来分析一下这个报道基本上我认为还是客观的因为文章中有这样的描述：“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注意看，是说为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证，而没有说直接发现和观测到马约拉纳费米子一开头同行的评价过高，导致另一些同行的批评，我认为是正常的因为那样描述是不严谨的尤其是哈佛大学物理学博士王孟源撰文称，所谓“天使粒子”有“吹嘘炒作”之嫌，他“。