「天使粒子」是不是真實的粒子

2020-11-22 光明網新聞中心

　　【科普小博士】

　　作者：李劍龍

　　日前，有媒體報導美籍華裔物理學家張首晟在京宣布,他和何慶林、王康隆等共同發現「天使粒子」——馬約拉納費米子。但旋即有多位物理學家指出：此粒子非彼粒子，這次發現的並不是一種基本粒子，而是通過設定各種外部條件讓電子按照某一特殊的方式運動，使其看起來像一種新的粒子。

    自然界的物質都是由基本粒子組成的,但是基本粒子太多了。為了區分清楚，物理學家根據粒子的不同性格，將其分成兩大類：可以相互擠在一起也不抱怨的，叫作玻色子，比如光子；不喜歡扎堆、愛各走各路的，叫作費米子，比如電子。

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    「天使粒子」與費米子有關。每一種費米子都有反粒子，比如電子的反粒子就是正電子。除了質量之外，反粒子的許多性質都跟原來的粒子完全相反。比如，電子帶負電，正電子就帶正電。反粒子是真實存在的，也有廣泛應用，如醫院檢測癌細胞用的PET-CT，原理就是間接探測能被癌細胞吸收的藥物所發出的正電子。

    馬約拉納費米子是物理學家馬約拉納在1937年提出的：從數學上看，有一種費米子和它的反粒子完全等價——它就是自己的反粒子。順便說，提出馬約拉納費米子不久，這位天才物理學家就在乘船時神秘地失蹤了。

    此後的幾十年裡，粒子物理學家始終沒有發現馬約拉納費米子。於是，凝聚態物理學家便扮演起尋找者的角色，但他們是通過約束各種固體物質中的電子來尋找目標——把溫度降低到絕對零度附近，加上電場、磁場，改變固體的形狀，向固體摻入不同雜質，將幾種固體捏在一起……總之，就是使盡各種手段「折磨」電子。這些電子受到外力作用，再也不能自由奔跑，只好按照與「本性」完全不同的方式運動。比如，在BCS超導理論中，當溫度低到絕對零度附近時，兩個同性的電子會突然「同性相吸」，配成了一對，變成了一種「準粒子」，運動起來就沒了電阻。

　　「天使粒子」也是這一類情況：實驗中，幾位物理學家把一種由金和鈮組成的固體作成薄片，夾在另一種由碲銻鉍鉻組成的固體薄片中間（即量子反常霍爾絕緣體，當它與前面的薄片結合後，在一定條件下可變成拓撲超導體），然後降溫到絕對零度附近，再加上電場和磁場。結果發現，在這兩個二維固體的一維邊界上，電子突然開始按照一種特殊的方式轉圈了。其背後的數學，和馬約拉納費米子的數學存在相似之處。

　　但它絕不是真實的粒子，而是電子的一種特殊運動模式。所以，這個發現叫作「在量子反常霍爾絕緣-超導結構中發現了一維手徵馬約拉納費米子模的存在」。

　　這個發現是否重要？是的。手機、電腦等的使用本質上都是在操縱電子。而這種新型的操縱電子的方式，將有助於發明一種比普通量子計算機抗幹擾能力更強的拓撲量子計算機。

　　《光明日報》（ 2017年08月03日 13版）

[責任編輯:潘興彪]

相關焦點

  • 什麼是「天使粒子」
    英國物理學家保羅·狄拉克1928年預言，每一個基本粒子都有對應的反粒子。幾年後，科學家在宇宙射線中發現了電子的反粒子正電子，驗證了這一預言。1937年，義大利物理學家埃託雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類特殊的粒子，它們的反粒子就是自身，這種正反同體的粒子被稱為馬約拉納費米子。
  • 「上帝粒子」之後,科學家又發現了「天使粒子」
    史丹福大學終身教授、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士、丹華資本創始人張首晟在北京舉辦記者招待會宣布了Majorana費米子的發現，將這種神秘粒子命名為「天使粒子」，該發現刊登於世界最權威學術期刊之一《科學雜誌》上。
  • 「上帝粒子」之後 華人科學家找到了「天使粒子」
    據人民網（603000）7月21日報導，物理學迎來重大突破：由4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉那費米子(Majorana fermion)，從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。　　相關論文發表在今天出版的《科學》雜誌上。
  • 華人科學家發現「天使粒子」
    不過，馬約拉納費米子存在的證據一直未被發現，它和中微子、希格斯—玻色子等一起，成為理論早有預言但長期無法驗證的粒子。如今，張首晟團隊終於找到了它存在的證據。    張首晟把他們發現的馬約拉納費米子稱為「天使粒子」。根據愛因斯坦的質能轉換公式，當一個粒子遇上其反粒子就會發生湮滅，並釋放能量。美國驚悚片《天使與魔鬼》提到正反粒子湮滅爆炸的場景，將粒子與反粒子比喻為天使與魔鬼。
  • 「天使粒子」,是夢幻還是現實
    2020年1月3日，由賓夕法尼亞州立大學常翠祖領導的團隊在《科學》期刊發表文章，該團隊研究了超過36種類似於2017年成果報告中用於產生「天使粒子」的設備樣本，卻得到不同的結果，在相似的實驗平臺中觀測的結果並非由於「天使粒子」導致。「天使粒子」的概念由中科院外籍院士、美國史丹福大學與清華大學教授張首晟提出。
  • 是天使粒子還是太極粒子?第一作者何慶林有話說
    馬約拉納費米子到底應該被稱作「天使粒子」還是「太極粒子」？發現之後，何慶林團隊的下一個目標是什麼？……「天使粒子」或者「太極粒子」？7月21日早上開始「天使粒子」被發現的文章被各大媒體刷屏置頂。這是繼上帝粒子被發現之後，物理界又被發現的一個神秘粒子——馬約拉納費米子，而這顆粒子的發現將引發新一輪電子計算革命。論文中所描述的實驗由加州大學洛杉磯分校的王康隆團隊主導，而王康隆教授的博士後研究員何慶林又是該實驗的設計者和課題的組織者。其實，在這篇論文發表之前的2016年，上海交通大學賈金鋒教授團隊也通過巧妙的實驗設計，觀察到證明馬約拉納費米子存在的直接證據——自旋極化電流現象。
  • 專家解讀發現「天使粒子」新成果
    來源：科學網概要：7月21日，有關物理學獲得重大突破、科學家找到「天使粒子」的新聞，引起了物理學界的廣泛關注
  • 探索神秘的「天使粒子」(科技大觀)
    我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有天使也有惡魔。宇宙的最小物質組成部分——基本粒子也是一樣。1928年，英國理論物理學家狄拉克曾做出驚人的預言：宇宙中每一個基本粒子必然有其相對應的反粒子。
  • 張首晟首次公開解密「天使粒子」
    應長城會創始人文廚之邀，「天使粒子」的發現者之一張首晟教授在文章發表後的第一時間做客「文談」，與文廚飲茶暢談，從天使粒子說到文藝復興，從文藝復興說到了科學復興，並詳細地解釋了物理學界歷時80年對天使粒子的搜尋和探索。
  • 張首晟等科學家宣布找到「天使粒子」
    張首晟教授將這一結果公布在了全世界最權威的學術期刊《科學》雜誌(原文連結 http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aao0793)上，並給這個神秘粒子命名為「天使粒子」。
  • 王孟源:「天使粒子」的吹噓,我一看就搖頭
    近日媒體開始報導「天使粒子」，這很明顯又是川普（Donald Trump）和馬斯克（Elon Musk）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，我一看就搖頭，但是也不勝其煩，原本連私下的建議都懶得做。
  • 祛魅「天使粒子」:轟動一時的物理突破竟只是平庸 「短路」
    4位華人科學家發現正反同體「天使粒子」的成果，終於迎來了階段性的判定。1月3日，以美國賓夕法尼亞州立大學物理系助理教授常翠祖等為通訊作者的一篇論文在線發表在頂級學術期刊《科學》上。該團隊在30多個樣品上均未能找到「天使粒子」存在的證據，相反，此前所謂的「證據」可能用一種更為平庸的「短路」機制來解釋。
  • 《科學》:其實並沒有發現「天使粒子」?
    2017年一份發表在《科學》期刊上的研究稱找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉納費米子(Majorana fermion)。然而今年1月3日同樣發表在《科學》期刊上一份新研究，對2017年的研究結果提出了質疑。
  • 物理學重大突破:科學家找到「天使粒子」
    人民網北京7月21日電 （洪蔚琳、趙永新）物理學迎來重大突破：由4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉那費米子，從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。 相關論文發表在今天出版的《科學》雜誌上。
  • 張首晟團隊發現號稱「天使粒子」的馬約拉納費米子
    他們一直在尋找的是「準粒子」——由超導材料中電子的集體行為產生的粒子式激發，其以100%的效率傳導電力。根據愛因斯坦著名的E = mc2方程式，產生這些準粒子的過程類似於能量在真空中變成短命「虛擬」粒子並再次變回能量的方式。雖然準粒子不像自然界中發現的粒子，但它們仍然被認為是真正的馬約拉納費米子。
  • 張首晟發現天使粒子?那麼誰是馬約拉納?……
    這個重要發現是：在整個物理學界歷經80年的探索之後，他們終於發現了手性馬約拉納費米子的存在——這個新發現的粒子，被張首晟院士命名為「天使粒子」。　　這裡瞬間就出現了兩個物理學家的名字：「費米」與「馬約拉納」。其中對於費米大家都比較熟悉，他是實現人工核反應堆（原子彈）的首席科學家，也是李政道先生在芝加哥大學讀博士時候的博士論文導師，那麼，問題來了——　　誰是馬約拉納？
  • 「天使粒子」發現者張首晟逝世
    楊振寧弟子、55歲華裔科學家 「天使粒子」發現者張首晟逝世 家人稱其生前長期與抑鬱症鬥爭 2007年，其發現的「量子自旋霍爾效應」被《科學》雜誌評為「全球十大重要科學突破」之一；2017年，其發現的「天使粒子」解決了困擾量子物理學80年的難題。　　2009年，張首晟入選「千人計劃」，並被清華大學特聘為教授，在楊振寧先生創辦的高等研究院工作。
  • 「上帝粒子」之後,物理學再迎重大突破!華人科學家找到了「天使粒子」
    過去我們認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界。」天使粒子的發現，得益於先前對量子反常霍爾效應的探索，也是理論和實驗結合的成果。最初，張首晟按常理做了一項推斷：既然馬約拉那費米子只有粒子、沒有反粒子，那麼它就相當於傳統粒子的一半。他很快意識到，「一半」的概念就是解決問題的關鍵。
  • 科研團隊成員揭秘「天使粒子」發現的背後
    「天使粒子」：正反同體，比量子還小　　「天使粒子」，即馬約拉那費米子，是一個比已知最小物理單位量子還小的單位。　　在物理學領域，構成物質的基本粒子有兩大家族，費米子和玻色子。過去，物理學家認為，每個費米子必然有其反粒子。唯獨一位名叫馬約拉那的物理學家認為，宇宙一定有「正反同體」的粒子存在。
  • 找到「天使粒子」
    本報北京7月21日電  （洪蔚琳、趙永新）國際權威學術期刊《科學》雜誌21日報導了物理學領域的一項重大成果：以華人科學家為主體的科研團隊找到了正反同體的「天使粒子」——馬約拉納費米子，從而結束了國際物理學界對這一神秘粒子長達80年的漫長追尋。