重大發(fā)現(xiàn)奠定物理學(xué)里程碑 華人科學(xué)家講述背后故事

　　中國僑網(wǎng)7月22日電 據(jù)美國中文網(wǎng)微信公眾號報道，“你們有誰熟悉拓?fù)浣^緣體這個理論？”——在熱門美劇《生活大爆炸》第四季14集的一開始，鬼才物理科學(xué)家謝爾頓站在講臺上，向在座學(xué)生們提出了這樣一個他自認(rèn)難度系數(shù)頗高的問題。

　　這一集播出的當(dāng)晚，“拓?fù)浣^緣體”這一關(guān)鍵詞被4000多萬人關(guān)注，而提出“拓?fù)浣^緣體”這一概念的正是享譽世界的前沿物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)杰出華裔教授張首晟(Shoucheng Zhang)。

　　幾年之后，張首晟再次感受到這種大眾盛情。

　　在過去的24小時內(nèi)，他成了華文媒體競相報道的主角，“諾貝爾獎”、“驚世突破”，這些重磅概念被媒體一一加諸其身。硅谷當(dāng)?shù)貢r間7月20晚，筆者第一時間致電張首晟向他表示恭賀時，他坦言現(xiàn)在一切太過“overwhelming”。

　　這一切，源自7月20日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章。在這篇文章中，作者們通過一系列實驗，證實了手性(在多種學(xué)科中表示一種重要的對稱特點)馬約拉納費米子(Majorana fermion)的存在。經(jīng)過24小時的發(fā)酵后，不少人對于這一術(shù)語更為熟悉的說法為“天使粒子”。

　　不過，上述實驗的主導(dǎo)者之一——加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)電機工程系教授王康隆教授則認(rèn)為，稱呼它為“太極粒子”似乎更為恰當(dāng)。在王教授看來，太極——這種中華文化的特殊元素能更為形象地傳達(dá)馬約拉納費米子正反合一的特殊屬性。

　　不論是“天使粒子”還是“太極粒子”，捕捉到馬約拉納費米子對于物理學(xué)史來說，都是一項具有里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn)。今天上午，王康隆教授接受了美國中文網(wǎng)的電話采訪，分享了此次發(fā)現(xiàn)背后的故事，并解釋了新發(fā)現(xiàn)的理論和應(yīng)用價值。

　　追捕神秘的“馬約拉納”

　　過去80年間，全球物理學(xué)界都在捕捉神秘的馬約拉納費米子，這場漫長的捕捉活動源于意大利物理學(xué)家埃托雷。馬約拉納(Ettore Majorana)在1937年提出一個大膽假設(shè)。

　　在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位被稱為“基本粒子”。它們是在不改變物質(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)?；玖Ｗ佑址譃閮煞N：費米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費米(Enrico Fermi)和印度物理學(xué)家玻色(Satyendra Nath Bose)的名字命名。人類已知的所有基本物質(zhì)粒子都是費米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(電子、夸克、中微子)，而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

　　較早之前，英國物理學(xué)家保羅。迪拉克(Paul Dirac)的觀點占據(jù)主導(dǎo)地位。他在1928年提出假想，認(rèn)為宇宙的每個基本粒子，都有一個相對的反粒子，就像是一對雙胞胎，但是帶著正負(fù)能量，當(dāng)它們相遇時會相互湮滅。幾年后，物理學(xué)家確實發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)，即和電子相對的正電子(Positron，又稱反電子)。

　　這種觀念在1937年出現(xiàn)顛覆。意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費米子被稱為馬約拉納費米子。

　　在馬約拉納預(yù)言這種特殊費米子存在后近80年的時間里，全球科學(xué)家們從未停止過對于Majorana的追捕，但一直未果。過去20年，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，物理學(xué)界離這種神秘的費米子越來越近。在加州高校之外，包括普林斯頓等諸多全球知名學(xué)府也在堅持不懈地進(jìn)行著各類實驗，只不過，實驗結(jié)果往往模棱兩可，不太理想。

　　一篇文章 十年功夫

　　一年多以前，在加州大學(xué)洛杉磯分校的實驗室內(nèi)，馬約拉納費米子第一次閃現(xiàn)了跡象，實驗數(shù)據(jù)落在量子系數(shù)的范圍之內(nèi)，完美得令實驗室的科學(xué)家們不敢相信。

　　一次偶發(fā)性的實驗結(jié)果不足為據(jù)，有意義的實驗結(jié)果需要反復(fù)數(shù)十次的可重復(fù)性論證。一次又一次，數(shù)據(jù)完美重合。于是，在反復(fù)驗證近30次后，實驗組滿懷信心地整理了實驗報告，并在一年之前向《科學(xué)》雜志提交了論文初稿。

　　“第一次提交后，審稿人向我們提出，在馬約拉納費米子外另一種可能導(dǎo)致實驗結(jié)果的可能性”，王教授告訴美國中文網(wǎng)：“隨后，我們又經(jīng)過不斷地實驗論證，排除了其它可能性。這樣的來回有兩三次，每一次都是長達(dá)30頁的反饋報告?！?/p>

　　直到2017年7月20日，這篇文章終于在《科學(xué)》上發(fā)表，文章總計20位署名作者，分別來自于8所高校和機構(gòu)，其中主導(dǎo)者為加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆實驗團隊和斯坦福大學(xué)的張首晟理論團隊。

　　事實上，從啟動研究到文章發(fā)表，前后歷時長達(dá)十多年。這其中，實驗材料的甄選尤為重要。據(jù)王康隆教授介紹，整個實驗組前前后后共計篩選了近4000種材料， 并在精益求精地不斷優(yōu)化之后，才最終讓馬約拉納費米子切實現(xiàn)形。這其中，張首晟在2008年提出的“拓?fù)浣^緣體”的指導(dǎo)意義很關(guān)鍵。

　　此次研究團隊發(fā)現(xiàn)，在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜與超導(dǎo)體混合的結(jié)構(gòu)中施加強度很低的磁場之后，會形成量子反?；魻栃?yīng)態(tài)與超導(dǎo)態(tài)共存的狀態(tài)，此時在磁場交替反轉(zhuǎn)的位置可以觀測到手性拓?fù)涑瑢?dǎo)序?qū)?yīng)的半整數(shù)量子化電導(dǎo)，這種現(xiàn)象也是馬約拉納費米子模式的一個鮮明特征。

　　實驗結(jié)果應(yīng)用價值巨大

　　本次發(fā)現(xiàn)結(jié)束了物理學(xué)界長達(dá)80年對馬約拉納費米子的追蹤，被廣泛認(rèn)為是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑。它不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值——讓量子計算成為現(xiàn)實。

　　當(dāng)前，計算速度已經(jīng)接近飽和，量子計算又因為穩(wěn)定性欠佳而進(jìn)步受限，馬約拉納費米子分發(fā)現(xiàn)為計算機速度的再一次騰飛提供了可能性?！榜R約拉納費米子在‘拓?fù)浒戮哂袠O高的穩(wěn)定性”，王康隆教授向美國中文網(wǎng)解釋稱，“這一特性將使得計算機在計算量和復(fù)雜難度上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍?！?/p>

　　也正因如此，微軟、IBM等知名IT巨頭對于相關(guān)研究非常重視，且紛紛投入大量資金，爭相占領(lǐng)量子計算領(lǐng)域的制高點。王康隆教授透露，目前的研究新方向粒子組合，以實現(xiàn)復(fù)雜計算。預(yù)計，當(dāng)前發(fā)現(xiàn)將在可預(yù)見的未來逐漸走向商用。

　　重大突破背后的華人科學(xué)家群像

　　“他獲諾貝爾獎只是早晚的事”，在馬約拉納費米子被捕捉到的消息被媒體曝光后，諾貝爾獎得主、華裔物理學(xué)家楊振寧在接受采訪時，毫不吝嗇地對曾經(jīng)的學(xué)生張首晟予以嘉獎。

　　毫無疑問，張首晟是現(xiàn)今物理學(xué)界最受矚目的華人科學(xué)家。1996年，年僅33歲的張首晟成為斯坦福大學(xué)教授。憑借拓?fù)浣^緣體和量子自旋霍爾效應(yīng)兩項理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎；2014年獲得美國富蘭克林獎。如今，馬約拉那費米子的發(fā)現(xiàn)，再次彰顯了張首晟提出的理論基石的重要意義。

　　在楊振寧和李政道一同摘下諾貝爾獎之后，越來越多的華人科學(xué)家走上世界舞臺。在7月20日發(fā)表于《科學(xué)》的這篇文章中，絕大多數(shù)主要貢獻(xiàn)者均為華人。主要團隊領(lǐng)先者中，張首晟來自中國上海，目前在任職斯坦福大學(xué)，同時受聘于清華大學(xué)。王康隆來自中國臺灣地區(qū)，與中國大陸高校交流廣泛。他的學(xué)生、論文首作何慶林來自中國廣東，目前在UCLA擔(dān)任博士后研究員。另一位署名學(xué)生寇煦豐則已經(jīng)學(xué)成回國，加入了上海科技大學(xué)，擔(dān)任助理教授。

　　“在加州，華人教授與學(xué)生都很多，這產(chǎn)生了聚集效應(yīng)，并與來自中國以及全球的華人科學(xué)家們共同織成一張良性循環(huán)的網(wǎng)”，王康隆告訴美國中文網(wǎng)：“不同于楊振寧獲獎的時代，現(xiàn)在中國經(jīng)濟實力和科研技術(shù)不斷進(jìn)步，科研經(jīng)費也日漸充足。中國與美國在理論和應(yīng)用科學(xué)方面的差距將逐漸縮小，我們將看到更多中國/華人科學(xué)家在世界科學(xué)史的舞臺上做出重要貢獻(xiàn)?！?/p>

　　與其說，張首晟個人獲得諾獎“只是早晚”，不如說，華人科學(xué)家的集體閃耀“已經(jīng)到來”。