华人科学家张首晟团队发现天使粒子！他说真正完美的世界是量子世界

7月21日物理学又迎来了一项划时代的发现——由4位华人科学家领衔的科研团队，终于找到了正反同体的马约拉那费米子，他们将它命名为“天使粒子”，结束了国际物理学界对这一神秘粒子长达80年的漫长追寻。

这一发现刊登在今天出版的世界最权威学术期刊之一《科学》杂志上。

该成果由加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组和美国斯坦福大学教授张首晟课题组、上海科技大学寇煦丰课题组等多个团队共同完成，署名作者有何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆，均为华人科学家。

物理学界有一份表单，囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯波色字，也就是最近在欧洲粒子加速器中被发现的“上帝粒子”，表单中还有引力子、磁单极、暗物质和马约拉那费米子，相较其他粒子而言，马约拉那费米子或许更加神秘。

我们似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。 

狄拉克和刻在他墓碑上的方程

1928年，伟大的理论物理学家狄拉克作出惊人的预言：宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子。几年之后，正电子果然在宇宙射线中被发现，验证了有史以来最伟大的理论预言之一。

当一个粒子遇上它的反粒子时，根据爱因斯坦E=mc²的质能公式，它们会相互湮灭从而将所有质量释放出成能量。

电影《天使与魔鬼》海报

美国作家丹 · 布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景，张首晟十分喜欢这本小说，也是“天使粒子”命名的灵感来源。

从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。

意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那

1937年，也就是80年前，伟大而神秘的意大利理论物理学家埃托雷 · 马约拉那，猜测有这样神奇粒子的存在，这也就是我们今天所称的马约拉那费米子。不幸的是，他本人做出这一猜测后在一次乘船旅行中神秘失踪。

自此以后，寻找这一神奇粒子成为了物理学家门梦寐以求的探索目标。寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

今日之成果建立在量子反常霍尔效应之上

困扰了物理学界80年的难题是怎样被破解的？张首晟认为，任何科研工作都是建立在已有成果的基础上。天使粒子的发现，得益于先前对量子反常霍尔效应的探索，也是理论和实验结合的成果。

最初，张首晟按常理做了一项推断：既然马约拉那费米子只有粒子、没有反粒子，那么它就相当于传统粒子的一半。他很快意识到，“一半”的概念就是解决问题的关键。

早在2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应，这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队证实。

在实验中，随着调节外磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/ h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。

这给了张首晟一个灵感：马约拉那费米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整数跳，马约拉那费米子或许就是按半整数跳——它一定会呈现出一个奇特的、“1/2的台阶”。

由此，他预言手性马约拉那费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性马约拉那费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应1/2倍基本电阻单位e2/ h。

张首晟团队提出的搜寻马约拉那费米子的实验平台：由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件。

在后续的实验验证中，激动人心的成果出现了：王康隆等实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻来源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性质，因此，多出来的半整数量子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

王康隆实验团队等在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台，这为马约拉那费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。

恩师杨振宁曾评价他“获诺奖只是时间问题”

几天前，张首晟回到北京为恩师杨振宁庆祝95岁寿辰。

1987年张首晟博士毕业时与杨振宁的合影

1996年，年仅33岁的张首晟被评为斯坦福大学终身教授。他发现的“量子自旋霍尔效应”曾被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。

凭借拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应两项理论的发现，他在2010年获欧洲物理学会颁发的欧洲物理奖，除此之外他几乎包揽了物理界所有重量级奖项，包括欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖等。2014年获得美国富兰克林奖。

张首晟多年被汤森路透预测会得到诺贝尔奖，杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。不知道天使粒子的发现，是否能让张首晟众望所归。

张首晟2012年获得狄拉克奖

从基本科学发现到技术应用往往需要多年时间，张首晟教授表示：

“基本科学的发现最终总会造福人类，需要有足够的耐心。探寻宇宙、自然深刻规律时，对于天使粒子巡游的量子天堂充满了兴奋与期待，拓扑量子计算能够解决当下人类面对最艰难的一些问题， 从而迎来一个完美世界。”

张首晟还拥有很多标签：斯坦福大学终身教授、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、丹华资本创始人……

今年3月，张首晟在接受凤凰卫视《名人面对面》栏目专访时，被问到如何平衡科研与风投时曾表示：

“我有的时候也是开个玩笑做一个比喻。就是这个真正完美的世界是一个量子的世界。量子世界的粒子，它的确是可以百分之百、平行地做两件事情，所以我想人生其实也可以达到这种境界。”

科学有高度的浓缩，物理之所以美，E=mc²，爱因斯坦伟大的公式，它小可以小到一个原子，大可以大到整个一个宇宙。

因在科学领域的卓越贡献，2017年3月31日张首晟教授获颁“2016-2017影响世界华人大奖”。获奖后的张首晟现场分享了自己从一个物理学家的角度对“世界因你而美丽”的理解。

他说起自己在德国留学时，曾去参观了埋葬许多伟大物理学家和数学家的墓地。他们的墓碑简单却特殊，上面刻着他们的名字、出生年月和一行文字。他们一生的最高成就浓缩成了一个公式，如海森堡的墓上刻着"测不准原理"的公式。

“这些人的发现，能够与日月同辉。当我们把一生奉献给科学，能够通过一个简单的分子看到整个宇宙的复杂时，这个世界是特别美丽的。”

综合：凤凰卫视、人民网等

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