科學發展到今天，沒有哪個領域像物理學這麼熱鬧，除了那些頂級刊物上發表的重磅論文給我們送上一個又一個盛宴之外，就是在大眾媒體上很多科學愛好者們的喧鬧和吵嚷，民科們動輒拳打「相對論」、腳踢「量子力學」，創建「宇宙大一統理論」，上演了一出又一出的「鬧劇」。2020年新年伊始，頂級科學期刊領頭羊三劍客之一的《Science》拋出了一個重磅炸彈：天使粒子消失了。
關於「天使粒子」是不是就此真的消失了不是本文研究的重點，這裡想跟大家聊聊的是由「天使粒子」引發的關於物理學的研究方法的討論。現代物理學的一些事件導致了物理學家們對數學的膜拜，從而讓一部分物理學家離現實越來越遠。
一、用方程預言粒子
提到狄拉克，只要是對物理感興趣的人都知道他所預言的反粒子。1928年，狄拉克跟愛因斯坦一樣，都想統一相對論和量子力學，在推導公式的過程中，他發現有一個地方要開平方。我們知道，開平方之後會出現正負兩個根，這兩個根在很多時候都有對應的物理意義，比如加速度，可以是加速也可以是減速；能量可以是增加也可以是減少。
但如果這個符號對應著一個粒子呢？在很多物理學家看來，如果這個符號對應著一個實驗觀察中從來沒有觀測到的粒子，那麼這個粒子就是不存在的。從物理學的發展歷史上看，在這之前，數學一直都是一個輔助性的工具，而不是一個可以預言的工具。
但狄拉克不這麼認為，他根據方程開平方後出現的兩個根做了一個非常大膽的預言，就如同宏觀世界中存在對立面一樣，微觀世界也應該如此，正負解的出現意味著粒子必然有反粒子。後來的實驗證實了狄拉克的預言，人們找到了粒子的反粒子，比如電子的反粒子正電子。
1937年，物理學家埃託雷·馬約拉發表了一篇論文，論文中他用一個方程求出來一個非常有趣的解，這個解所代表的粒子沒有反粒子，於是他根據這個方程做出了這種粒子的預言，這就是後來傳說中的「天使粒子」馬約拉納費米子。
二、物理學需要實驗驗證
實驗驗證是物理學研究的一個傳統，如果沒有驗證，那麼科學與巫術就失去了最本質的區別。就像當年狄拉克提出的反粒子一樣，在沒有從宇宙射線中找到反粒子的時候，狄拉克的反粒子只能是一個假說，不能上升為理論。然而狄拉克是幸運的，反粒子被找到，讓狄拉克從美麗的方程中得到的預言變成了偉大的科學發現。
「天使粒子」的命運也是如此。與狄拉克費米子不同，馬約拉納費米子的反粒子就是它自身。在凝聚態物理學中，馬約拉納費米子以準粒子激發的形式存在於拓撲超導體中，形成遵守非阿貝爾統計的馬約拉納束縛態，從而使夢寐以求的拓撲量子計算成為可能。因此，探尋馬約拉納費米子成為近年來凝聚態物理學研究的熱點。
2010 年，著名華人物理學家、史丹福大學Shou-Cheng Zhang教授團隊首次從理論上預言了在量子（反常）霍爾絕緣體與超導體的異質結中可以產生手性馬約拉納費米子，但沒有給出具體的實驗測量方法。
2015年，Shou-Cheng Zhang教授團隊提出在量子反常霍爾絕緣體與超導體異質結中的手性馬約拉納費米子可以表現為電學輸運測量中的半整數量子化電導平臺。
2017年，美國加州大學洛杉磯分校K。 Wang教授團隊與Shou-Cheng Zhang教授團隊、加州大學歐文分校的Jing Xia教授團隊合作，在毫米級量子反常霍爾-超導樣品的磁疇反轉區域「實驗上觀測」到了半整數量子化電導平臺，並解釋其為手性馬約拉納費米子（ 「天使粒子」） 所導致，認為這是量子反常霍爾效應平臺系統中第一個具有確鑿證據的手性馬約拉納費米子實驗測量結果，引起巨大轟動。
三、「天使粒子」爭議不斷
哈弗大學物理學博士王孟源發表文章，認為「天使粒子」這個概念「很明顯又是川普和馬斯克之流做商業吹噓的手法，利用歐美對基督教的迷信來引誘大眾媒體廣泛傳播，和科學求真求實的精神背道而馳」。他解釋：「這次的研究是一個凝態物理實驗。凝態物理一貫忽略物質是由許許多多個別基本粒子組成，而把它簡化為一個背景的模型。」「這類所謂的『天使粒子』，早就被好幾個歐美的團隊發現過了。」
中山大學天文與空間科學研究院院長李淼對此評價說，這個發現不是基本粒子，而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態，這個態滿足中性粒子的要求，即其反態就是自身。
近日，美國賓夕法尼亞州立大學Cui-Zu Chang助理教授、Moses。 H。 W。 Chan教授和Nitin Samarth教授、以及德國維爾茲堡大學 Laurens W。 Molenkamp教授課題組合作，發現在毫米級的量子反常霍爾絕緣體與超導體的異質結中的半整數量子化電導平臺的邊緣電流不是由手性馬約拉納費米子導致。
相關工作以「Absence of Evidence for Chiral Majorana Modes in Quantum Anomalous Hall-Superconductor Devices」為題， 於2020年1月3日在《Science 》期刊上以Report 的形式在線發表。
這一文章是《Science 》期刊首次發表負面結果的Report。期刊編輯及三位特邀審稿人均給出高度評價，一致認為該工作對消除業內過去幾年來在手性馬約拉納費米子實驗測量方面存在的疑惑和爭議具有重要意義。
此外，研究者還通過在量子反常霍爾絕緣體與超導體之間人為添加絕緣層來系統改變其接觸電阻大小，也沒有觀測到2015年理論預測以及2017年實驗報導的結果。這些實驗結果表明，對「天使粒子」的追尋之路並沒有想像中容易，唯有一步一步腳踏實地，對實驗結果永遠持有著審慎態度，才有可能捕捉到真正的「天使粒子」。
四、「天使粒子」爭議背後的科學意義
關注老郭帳號的小夥伴可能會想起我曾經發表過的一篇文章科學史上的一場百年論戰、雖有結果，但未分高下，爭論仍在繼續，可見，科學的發展史上從來都不缺少爭論。
這次《Science》上的這篇文章以實驗過程和實驗數據為依託，強有力地質疑了張首晟團隊的研究成果。儘管「天使粒子」是否真的存在還需要進一步驗證，但這次質疑再次表明了還是有大量的科學家，堅持「實踐是檢驗真理的唯一標準」這一科學理念。
近期，我寫了多篇文章，都是在反覆強調科學與巫術的根本區別就在於驗證。這種驗證不是基於簡單的表面現象的驗證，還要包括發生的現象與發生現象的物質之間內在的因果關係。
數學方程能做出的推論能否成為一個偉大的科學發現，離不開實驗物理學家的客觀驗證。這也提醒著我們，數學並非是萬能的，不能把數學推導直接作為可以信任的結果。
就像我在有些文章裡面寫到我反對如今的超弦理論所提出的那些多重宇宙、多維空間的說法，就是基於這個道理，在沒有經過實踐的檢驗之前，這些都只是一個猜想。就像上帝一樣，雖然不能說他就沒有，但又如何就可以說他有呢？
數學方程的濫用，必然導致科學陷入巫術思維，這是科學的災難，也是人類的災難。
結束語
《Science》首次發表的這篇負面文章，質疑「天使粒子」，除了可以給那些物理學家繼續研究提供科學的參考，同時也是在給我們這些吃瓜群眾上了一堂深刻的科學思維課。從客觀實踐中來，再回到客觀實踐中去，這是一條顛撲不破的科學準則。
醒醒吧，那些認為科學缺少質疑、相信科學等於迷信科學、胡思亂想也能創造顛覆宇宙理論的「民科」。該怎麼做？《Science》這篇論文已經給我們打了樣。
科學需要真正的勇士，但科學不需要愚蠢的莽夫。