张首晟发现天使粒子？那么马约拉纳又是谁？……

1. 张首晟发现天使粒子？那么马约拉纳又是谁？……

017年7月20日，著名物理学家张首晟及其研究团队召开新闻发布会，宣布他们在美国的《科学》杂志上发表了一项重大发现。这个重要发现是：在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在——这个新发现的粒子，被张首晟院士命名为“天使粒子”。
这里瞬间就出现了两个物理学家的名字：“费米”与“马约拉纳”。其中对于费米大家都比较熟悉，他是实现人工核反应堆（原子弹）的首席科学家，也是李政道先生在芝加哥大学读博士时候的博士论文导师，那么，问题来了——
谁是马约拉纳？
假如你去一个海滨城市，在某个浪漫暧昧的夜晚，徐徐海风吹拂之下，一些游轮餐厅也许会放着这样的音乐，那是Rod Stewart 的《SAILING 》:
I am sailing, I am sailing ……cross the sea.
I am sailing stormy waters, ……
……
I am dying……
其实，这首歌是非常适合来描述马约拉纳这个人的呢。
事情还要从20世纪20年代中期说起，那是在物理学的复兴之路上的意大利，伽利略的物理学后裔费米在意大利开始经营他的新罗马帝国。当时， 费米在罗马大学组建了一个物理研究所，这个组里汇集了一批意大利当时最优秀的青年物理学家，21岁的帅哥马约拉纳也在这个研究组里。

马约拉纳
当时他俩都是只有二十几岁，梦想都很大，说话也很随便。
马约拉纳说：“每隔500年才有一个类似阿基米德或牛顿这样的科学家出现，而每隔100年就会有1至2个爱因斯坦和玻尔这样的人出现。”
费米说：“那费米是几百年出一个？”
马约拉纳说：“我们谈的是爱因斯坦与玻尔……”
马约拉纳是一个很有天赋的物理学家，他的分析与计算能力对整个研究组的帮助很大。
只要有他在的地方，就没有人会用计算尺和笔算。马约拉纳能够口算出243的平方根乘以578的立方根等于多少这样的数学题……费米和他曾有过一场计算能力的PK，费米用纸笔尺，马约拉纳只用脑子，然后比赛结果是平局……而众所周知，费米的计算能力也是非常强的：后来在美国爆炸原子弹的时候，他就站在很远之外，手里拿张纸，撕成碎纸片。原子弹的冲击波来了，他把纸一扔，然后根据纸片被卷走的高度、速度和距离计算原子弹释放的能量值。冲击波走了，费米就算出来了，而且计算出来的结果和精密仪器测试的结果不相上下……
马约拉纳对自己的研究工作自我要求很高，他很少发表研究成果，除非他本人觉得研究结论已经无可挑剔。
一九二九年，费米研究组的成员之一瑞萨缇（Franco Rasetti）在美国加州理工学院进行访问研究时，测量了氮原子核的自旋数，其结果是“一”，这让当时的物理学家很费解。马约拉纳立刻意识到原子核应该是由带正电的质子和一种不带电的、质量与质子相近且自旋亦为二分之一的粒子所组成。他把这种粒子叫做 “中性质子”，也就是人们后来发现的中子。具体到氮原子核,其组成应为七个质子加七个“中性质子”。他同时也意识到，为了使原子核不致因内部的质子们 “同性相斥”而分崩离析，核内一定存在一种比电磁力强得多的相互作用力，他称之为“交换作用力”——这就是后来人们所说的强相互作用力。不过可惜的是，马约拉纳这个人非常低调，甚至有些消极，他没有发表这些结果。
几个月后，俄国的一个名字叫伊万年科（Dmitri Ivanenko）的物理学家也认识到了中子的存在，发表了相关的文章。费米抱怨他坐失良机，马约拉纳也仅仅只一笑置之——从这里也许可以看出马约拉纳是一个比较淡漠的青年，可能还有点抑郁，从这里倒可以解释他具有某种先天的自杀倾向。
马约拉纳之死
1932年，马约拉纳辞去了在罗马大学物理研究所的职位，开始了长达四年几乎足不出屋的“闭关”生活。
1938年3月25日他给家人和他任职的那不勒斯大学物理研究所所长卡瑞利（Antonio Carrelli）各留了一封信后，就登上了一艘开往西西里首府巴勒莫的邮船。一般人和警方都把这两封信解读为绝命书——因为从此以后马约拉纳就在人间消失了。
自杀？
他杀？
溺水？
有两件事令人费解——他在去巴勒莫之前支领了半年的薪水并带走了所有重要的科研笔记，这不像一个准备自杀之人所为，看起来更像是去“龙泉寺”隐居的。在他平安抵达了巴勒莫以后，又发了一封电报和一封信给卡瑞利。电报仅一句话“别紧张，信随后就到”，在他的信里则明确说他放弃了自杀的念头。
根据售票记录，他确实买了返回那不勒斯的船票，而且有个同舱人(三人住一间舱房)曾作证说，他在那不勒斯下船时，马约拉纳还在舱里睡觉。
但马约拉纳从人间蒸发的事情真的不好解释。没人确切知道他是否在那不勒斯下了船。这种不确定的结局，为后人留下了想象的空间。
以致几十年来不断有人宣称在世界的不同角落遇见过马约拉纳，版本之一是：在上世纪六十年代初，马约拉纳经常在智利的一个小酒馆里吃饭，还在餐巾纸上演算数学问题——这难道是从意大利漂流到了南美洲了？也有人说马约拉纳是出家当和尚了。
时至今日，意大利人也没有忘记他。他多次成为科幻小说或电影的主角,甚至还有关于他的科幻连环画集。在连环画里，马约拉纳的结局最为辉煌——被外星人接走了!
总之，很多年以后，马约拉纳跳上帆船出去航海……马约拉纳消失在海平面之下。这就应了本文开头的那个歌词，I am sailing，I am dying。
张首晟是不是杨振宁的学生？
在中国媒体的报道中，张首晟教授一般被描述为是杨振宁院士的学生。
比如，蝌蚪君用百度查了一下：

百度里写着张首晟师从杨振宁攻读博士学位。
蝌蚪君又查了一下wiki百科。
万万没想到啊：张首晟的博士导师不是杨振宁！
　　张首晟的博士论文导师是著名超引力专家纽文豪森（peter van Nieuwenhuizen ，他是荷兰高能物理学家）。也就是说，张首晟在读博士期间，其实是做高能物理出身的，后来才成长为凝聚态物理学大师，这确实是很难得的。杨振宁先生曾多次鼓励年轻学子投身凝聚态物理学研究，张首晟教授在这一点上也是受到了杨先生的教导，所以取得如此巨大的成就。
为什么叫“天使粒子”？
那么，这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢？
这里面可能有好几个原因，蝌蚪君给大家来分析解读一下：
首先，是因为马约拉纳费米子是很特殊的，一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子，比如电子与正电子是不同的。但是，马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子。所以，天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了，因此取名叫天使粒子。不过，从这个角度来说，这个粒子的取名也可以换成“魔鬼粒子”，意思也是一样的——因此还需要其他理由。
其次，是因为有一个希格斯粒子被称为上帝粒子，于是，为了与上帝对应，现在搞出了一个天使粒子。
最后，有可能是因为马约拉纳本身就是一个折翼的天使。

2. 张首晟发现天使粒子？那么马约拉纳又是谁

天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
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。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。
天使粒子一般指马约拉纳费米子。
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。与此相反，狄拉克费米子（Dirac fermion）则是指反粒子与自身不同的费米子。

3. 华人科学家宣称已经发现“天使粒子”？

据报道，近日美国斯坦福大学华人科学家张首晟等人宣布，他们已经首次发现了马约拉纳费米子存在的证据，而这一重大发现解决了困扰量子物理学80年的难题。

报道称自然界中可能存在一类特殊的粒子，它们的反粒子就是自身，这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子，但是马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现，它和中微子、希格斯—玻色子等一起，成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。

张首晟表示，现在他们把发现的马约拉纳费米子称为“天使粒子”，根据爱因斯坦的质能转换公式，当一个粒子遇上其反粒子就会发生湮灭，并释放能量，但是我们发现的马约拉纳费米子的世界里，只有天使，没有魔鬼。

专家表示发现马约拉纳费米子存在，对于建造稳定的量子计算机具有重要意义。

4. 科学家找到“天使粒子”，是什么东西？

天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
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。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。
天使粒子一般指马约拉纳费米子。
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。与此相反，狄拉克费米子（Dirac fermion）则是指反粒子与自身不同的费米子。

5. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么？

首先，天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”，不过，与一般的电子或者质子不同的是， 华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子，而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢？如果说真的粒子是“股票”，那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。 
  
  那么，这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢？这个我  给大家来分析解读一下，不一定对，毕竟我不是张首晟老师，他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了： 
  
  首先，是因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的，从粒子物理的dirac方程可以看出来，一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子，比如电子与正电子不是同一种粒子，而是两种粒子——这就好像我们的手掌，既有左手又有右手，左手不等于右手。但是，这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子，也就是说，这个粒子就好像一种外星人，只有一只手——你说是左手还是右手？所以，按照西方人的思维习惯，一般用“天使与魔鬼”来比喻，那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了，因此被取名叫天使粒子。 
  
 其次，是因为2012年发现一个重要的基本粒子，那就是希格斯粒子，希格斯粒子被称为上帝粒子。现在，也许为了与上帝对应，突出其发现的重要性，所以取名“天使粒子”。
  
   还有，张首晟是著名的天使投资人，丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。 
  
 最后，有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早，年轻的时候就失踪了，成为物理学的谜，这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。
    
  　　正负、阴阳、善恶……这个世界仿佛充满正反对立。英国物理学家保罗·狄拉克1928年预言，每一个基本粒子都有对应的反粒子。几年后，科学家在宇宙射线中发现了电子的反粒子正电子，验证了这一预言。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一类特殊的粒子，它们的反粒子就是自身，这种正反同体的粒子被称为马约拉纳费米子。 
  
  　　不过，马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现，它和中微子、希格斯—玻色子等一起，成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。如今，张首晟团队终于找到了它存在的证据。 
    
  　　在寻找“天使粒子”的过程中，张首晟领导的理论团队预言了通过怎样的实验平台能够找到马约拉纳费米子，哪些实验信号能够作为证据；加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆以及欧文分校的夏晶领导的实验团队与理论团队密切合作，在实验中发现了被称为手性马约拉纳费米子的一类最基本马约拉纳费米子。中国的复旦大学和上海 科技 大学对实验也有贡献。 
  
  　　按照理论团队预言，研究人员搭建了一个将普通超导体薄膜置于量子反常霍尔效应薄膜（即磁性拓扑绝缘体）之上的混合器件。施加低强度外磁场后，研究人员测量到了半整数量子平台，这成为手性马约拉纳费米子存在的实验证据。 
  
  　　张首晟解释说，在以往的量子反常霍尔效应实验中，随着调节外磁场，会出现整数量子平台。这是通常的粒子行为。马约拉纳费米子没有反粒子，相当于半个传统粒子，因此当把普通超导体置于量子反常霍尔效应薄膜之上时，在通常的整数量子平台之外，会新出现半整数量子平台。 
  
     
  
  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。

6. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么

首先，天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”，不过，与一般的电子或者质子不同的是，华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子，而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢？如果说真的粒子是“股票”，那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。那么，这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢？这个我给大家来分析解读一下，不一定对，毕竟我不是张首晟老师，他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了：因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的，从粒子物理的dirac方程可以看出来，一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子，比如电子与正电子不是同一种粒子，而是两种粒子——这就好像我们的手掌，既有左手又有右手，左手不等于右手。但是，这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子，也就是说，这个粒子就好像一种外星人，只有一只手——你说是左手还是右手？所以，按照西方人的思维习惯，一般用“天使与魔鬼”来比喻，那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了，因此被取名叫天使粒子。其次，是因为2012年发现一个重要的基本粒子，那就是希格斯粒子，希格斯粒子被称为上帝粒子。现在，也许为了与上帝对应，突出其发现的重要性，所以取名“天使粒子”。还有，张首晟是著名的天使投资人，丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。最后，有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早，年轻的时候就失踪了，成为物理学的谜，这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。

7. 华裔科学家张首晟发现的“天使粒子”究竟是什么？

首先，天使粒子在学术上的称谓是“手性马约拉纳费米子”，不过，与一般的电子或者质子不同的是，华裔科学家张首晟等实验组发现的“天使粒子”本质上不是一个真的粒子，而是一种在凝聚态物理中出现的“准粒子”。这有点像什么呢？如果说真的粒子是“股票”，那么准粒子有点像“股指期货”——那是一种抽象的金融衍生品。那么，这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢？这个我给大家来分析解读一下，不一定对，毕竟我不是张首晟老师，他到底怎么想的我只能靠猜靠分析了：因为这个手性马约拉纳费米子是很特殊的，从粒子物理的dirac方程可以看出来，一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子，比如电子与正电子不是同一种粒子，而是两种粒子——这就好像我们的手掌，既有左手又有右手，左手不等于右手。但是，这次发现的手性马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子，也就是说，这个粒子就好像一种外星人，只有一只手——你说是左手还是右手？所以，按照西方人的思维习惯，一般用“天使与魔鬼”来比喻，那么现在是天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了，因此被取名叫天使粒子。其次，是因为2012年发现一个重要的基本粒子，那就是希格斯粒子，希格斯粒子被称为上帝粒子。现在，也许为了与上帝对应，突出其发现的重要性，所以取名“天使粒子”。还有，张首晟是著名的天使投资人，丹华资本就是他主管的。天使这个词汇对他来说应该是最亲切的。最后，有可能是因为物理学家马约拉纳本身就是一个折翼的天使——死得早，年轻的时候就失踪了，成为物理学的谜，这个粒子本来就叫做“手性马约拉纳费米子”嘛。

8. 华人科学家领衔团队找到＂天使粒子”有啥现实意义？

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。

张首晟接受采访。
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。


王康隆实验团队等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。
“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。”
祝贺华人科学家出成果！