文谈：张首晟首次公开解密“天使粒子”

文谈：张首晟首次公开解密“天使粒子”  高山大学 2019-03-06 14:35:41


内容来源：2017年7月，长城会创始人、高山大学创办人文厨与张首晟教授“文谈”对话畅谈3小时，引经据典，妙趣横生。今日旧文重发，深切缅怀张首晟教授！

以下是文厨对话斯坦福大学物理教授、“天使粒子”发现者张首晟教授的精彩回顾

2017年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。

文谈现场

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。

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。

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。

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