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天使粒子發現的意義何在?

張田勘 |

發布日期:2017-07-26

當存在一個巨大數字時,如果要求把這個數字拆成兩個數字的乘積,經典計算機只能用窮舉法逐一嘗試整除計算,但量子計算機可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

在我們居住的社會,無論是現實的,還是神化的,都并存著美麗與丑陋、善良與邪惡、真實與虛假、坦率與奸詐,甚至還存在著更多元的環境,無論是社會的還是自然的。因此,二元或多元世界,是人們一以貫之的認識。

但是,也有一種只有一元的社會,那就是某些文學作品、宗教和神話所描述的世界,即天堂。在那里,只有鮮花和善良,只有富足與優雅,只有公平與誠實,而不會有相反一面。但是,這樣的世界人們誰也沒有見過,是虛擬的。

不過,在物質的世界,現在卻真的可能有一種只有天使沒有魔鬼的世界。這是由華人物理學家張首晟等人發現的,他們證明了早在80年前由意大利理論物理學家埃托雷•馬約拉納(Ettore Majorana)提出的預測——物質世界存在一類沒有反粒子的粒子,同時也證明了存在一種比量子還小的單位,這種粒子也稱馬約拉納費米子。張首晟稱這種粒子為“天使粒子”。

準確地說,張首晟等人發現的是手性馬約拉納費米子,所謂“手性”,是指它會沿著某一維路徑移動且方向固定。而之所以稱其為“天使粒子”,源自美國作家丹•布朗的代表作之一——《天使與魔鬼》。

這部小說描繪了一個驚人的后果,物質世界中正反粒子的碰撞會將所有質量以能量的形式釋放出,從而湮滅整個世界。

沒有反粒子的粒子其實就是既有粒子、又有反粒子合二為一的粒子,或者說反粒子就是其自身的粒子。因此,如果這樣的粒子構成了物質世界,將是只有天使,沒有魔鬼的世界。

早在發現天使粒子之前,張首晟的其他研究成果就被湯森路透預測會獲得到諾貝爾獎,其導師楊振寧則評價“他獲得諾貝爾獎只是時間問題”。也許,此次天使粒子的發現為其獲得諾獎增添了更為重要的砝碼。不過,諾貝爾獎只是一種肯定,也許并不能完全闡明發現天使粒子的重要性。

發現天使粒子最重要的意義在于——會顛覆人們的三觀。我們過去對世界的看法是不全面的,甚至是錯誤的,天使粒子讓人們認識到了物質世界的新大陸,就像哥倫布發現地理世界和人類社會的新大陸一樣。

楊振寧對張首晟有如此高的評價并非在于“兒子是自己的好”——偏愛愛徒,而是后者幾乎重現了當初李政道和楊振寧發現物質世界的另一個新大陸——“宇稱不守恒”時的情境。

在李政道、楊振寧和吳健雄之前,多年來物理學界都認為時間和空間是對稱的,20世紀物理學家又了解到動量和能量守恒定律是建立在空間和時間對稱的基礎上。用物理學的術語表述是,“物理作用不會因為作用的時間和地點改變而不同”,也就是說,在一個物理系統中動量和能量在物理作用前后保持不變,也即宇稱守恒(Parity Conservation),因此也有人用“鏡像對稱”來解釋宇稱守恒。本質是,在原子內部世界,一種物體及其左右相反的鏡像所發生的作用是相同的。

但是,1953年,有些科學家發現了一些奇怪的粒子。一般地講,普通物質是由質子、中子和電子組成,但當普通物質被高能量質子撞擊時,撞擊的碎片中會產生奇異粒子。這些奇異粒子中,最引人注目的是θ和τ兩種粒子。這兩種粒子的生命周期很短,馬上會轉變成生命周期較長的其他粒子。

物理學上稱這種轉變為衰變。θ衰變后會產生出兩個π介子,τ粒子衰變后則可變成三個π介子(介子是由日本科學家湯川秀樹于1934年提出,認為它是一種在粒子衰變中起傳送作用的粒子。后證實確有介子,而π介子就是其中之一,湯川秀樹因此獲得1949年諾貝爾物理學獎)。由于θ衰變而產生兩個π介子,τ衰變時則生成三個π介子,物理學家對它們的認識產生了分歧,有人認為它們不是同一物質,但另有人則認為它們就是同一物質,而且,實驗測試結果表明,這兩個粒子有相同的質量和生命周期。但是,誰也沒有足夠的證據來說服對方和其他的人。

1956年在紐約長島布魯克海紋的美國國家實驗室進行了奇異粒子的實驗,科學家發現這兩個粒子似乎為同一粒子(如今已被命名為K介子)。但是為什么同一粒子會產生兩種不同的衰變模式呢?用宇稱守恒的理論顯然是解釋不通的。所以物理學界又把這個問題稱為“θ-τ之迷”。

于是,一些物理學家首先從理論上來解釋這個迷,其中就有李政道和楊振寧。他們和其他物理學家提出,θ和τ兩種粒子是同一種粒子的不同宇稱狀態,它們沒有特定的宇稱,因而宇稱可以是不守恒的。而且,李政道和楊振寧從理論上進行了深入的討論和論證。但是在當時,反對宇稱守恒定律的說法是完全不能被接受的,因為宇稱守恒是物理學的經典和核心理論。然而李政道和楊振寧提出了一個至關重要的理念,即應當把弱相互作用中的宇稱守恒與強相互作用中的宇稱守恒分開來對待。在弱相互作用中可能不存在宇稱守恒。

理論是灰色的,任何理論都應接受實踐的檢驗,尤其是在理論物理這樣的學科中,否則一切都是紙上談兵或無稽之談。李政道和楊振寧想到了,要在弱相互作用中來檢驗宇稱守恒問題,就必須尋找合作者來做實驗證明他們的理論,他們理所當然地想到了吳健雄,因為她已經是大名鼎鼎的實驗物理學家了,而且同是華人科學家,與他們關系比較密切。

吳健雄欣然接受李政道和楊振寧的提議,采用了當時兩種最先進的物理實驗技術,一是原子核實驗技術,另一是低溫物理實驗技術,來證明宇稱不守恒,當然,參與實驗的還有美國其他一些物理學家,如安伯勒和哈德森。結果,實驗證明了李政道和楊振寧的理論假說。

后來的情況便是,李政道和楊振寧因為提出物質世界還存在著人們所不知的宇稱不守恒而獲得1957年的諾貝爾物理學獎。由這個獎還產生了一個公案或質疑,認為當年的物理學獎不公正和歧視女性科學家(吳健雄),沒有同時頒發給用實驗證明宇稱不守恒的吳健雄。

今天,張首晟等人發現天使粒子,這與李政道、楊振寧和吳健雄等人發現宇稱不守恒何其相似!

張首晟從理論上精準預言了在哪里能夠找到天使粒子,同時提出了哪些實驗信號能夠作為證明天使粒子存在的鐵證。

與吳健雄相似,美國加利福尼亞大學洛杉磯分校何慶林、王康隆教授領導的團隊和加利福尼亞大學歐文分校夏晶教授領導的團隊(都是華人科學家)根據張首晟的理論預測進行實驗,發現了手性馬約拉納費米子,即天使粒子。

不過,首先提出天使粒子的并非張首晟,其間有80年的求索歷史。

1928年,英國理論物理學家保羅•狄拉克提出,宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子,以狄拉克方程式來表述,從理論上預言了正電子的存在。1932年,美國物理學家安德森在研究宇宙射線時,無意間發現了狄拉克預言的正電子。此后,物理學界形成了一個定論,宇宙中有粒子必有其反粒子,正如李政道楊振寧之前認為物質世界是守恒的一樣。

然而,1937年,意大利物理學家埃托雷•馬約拉納提出一個假說,世界上可能有一種沒有反粒子的粒子,或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被后來的物理學界稱之為馬約拉納費米子,并和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。

于是,在粒子物理的定義中,物質是由費米子和玻色子兩種基本粒子組成,費米子是構成物質的原材料,如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子;玻色子是傳遞作用力的粒子,如光子、介子、膠子、W和Z玻色子。馬約拉納所預言的馬約拉納費米子就成為費米子的一種,其特性是,它是一個沒有反粒子,或者說反粒子就是其自身的粒子。

雖然也有其他科學家提出過宇稱不守恒,但李政道和楊振寧從理論上進行了嚴密的推論,吳健雄在實驗中進行了證明;張首晟正如李政道和楊振寧一樣,不僅預言了天使粒子的存在,而且指出了應當在什么條件下找到天使粒子,并與何慶林、王康隆和夏晶等人一道設計實驗以尋找和證明天使粒子。

在粒子物理尚不能證明或尋找到天使粒子的情況下,張首晟基于自己所研究的領域——凝聚態物理,預測了馬約拉納費米子有可能作為某些新奇量子基態上的準粒子或元激發而存在。最終,如同吳健雄一般,何慶林、王康隆和夏晶等人通過實驗,證明馬約拉納費米子存在于一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。

這次實驗嚴格意義上講,觀測到的其實是馬約拉納費米子模的存在,也就是找到了類似馬約拉納費米子的“準粒子”或稱為“演生粒子”,而并非馬約拉納費米子本身,說“結束了科學界80年的追尋”多少有些夸張。但這一發現仍然非常重要,實現一個具有手性的一維馬約拉納型準粒子系統,同樣是科學界的重大超越和突破;而“準粒子”只要符合馬約拉納費米子的性質,就有可能用來實現拓撲量子計算。

量子世界本質上是平行的,一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。由此,量子計算機能夠進行高度并行的計算,比經典計算機有效得多。例如,當存在一個巨大數字時,如果要求把這個數字拆成兩個數字的乘積,經典計算機只能用窮舉法逐一嘗試整除計算,但量子計算機可以在一瞬間同時完成所有可能項的測算。

天使粒子的應用主要在計算機和數學,它的發現可以讓人們更快地進入信息文明社會,并依靠信息文明創造更豐富多彩的物質和精神財富。至于諾貝爾獎,那是水到渠成的問題,不必念茲在茲。

來源:瞭望智庫

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