【本報綜合外電報導】《科學》(Science)雜誌二十一日發表的最新論文,宣示一項重大物理學突破:由爾灣加州大學副教授夏晶和洛杉磯加州大學教授王康隆主持的研究團隊,根據史丹福大學物理教授張首晟提出的計畫,在加州大學實驗室對各種奇特材料進行連串實驗,首次發現正反同體的「天使粒子」:馬約拉納費米子(Majorana fermion)存在的證據,從而結束了國際物理學界對這一神祕粒子長達八十年的漫長追尋。
史丹福大學在新聞稿中表示,發現馬約拉納費米子是繼發現「上帝粒子」(希格斯波色子)、中微子、引力子之後的又一重大理論發現,而且具有潛在的應用價值:讓量子計算成為現實;這將對現在的量子理論帶來巨大的改變,這對基礎物理界來說,可望開啟一個新的時代。
「我們的團隊正確預測能在哪裡找到馬約拉納費米子,以及尋找什麼現象。這項發現結束了基本物理學一項持續整整八十年的最密集研究。」張首晟說,這種追尋的知識性質似乎重於實用性質,卻可能實際應用於製造威力強大的量子電腦,雖然這種展望還很遙遠。
在物理學領域,構成物質的最小、最基本的單位被稱為「基本粒子」。它們是在不改變物質屬性前提下的最小體積物質,也是組成各種各樣物體的基礎。基本粒子又分為兩種:費米子和玻色子,分別以美國物理學家費米和印度物理學家玻色的名字命名;東方西方哲學家都認為,人類似乎生活在一個充滿正反對立的世界:有正數必有負數,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。
一九二八年,理論物理學家狄拉克(Paul Dirac)作出驚人預言:宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。從此以後,宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是絕對真理。然而,物理學界也在探尋一類沒有反粒子的粒子,或者說正反同體的粒子;一九三七年,義大利理論物理學家馬約拉納在他的論文中猜測有這樣神奇的粒子存在,即科學界今天所稱的馬約拉納費米子。
楊振寧:張首晟遲早得諾貝爾獎
曾獲諾貝爾獎的麻省理工學院理論物理學家韋爾切克說,物理學者早就認為這項實驗使用的材料能夠製造出馬約拉納費米子,不過研究團隊加入一些以前從未使用的因子,並得以清晰明確的觀察到這種新的量子粒子,締造真實的里程碑。王康隆等實驗團隊接著依照張首晟的理論預測,成功發現了手性馬約拉納費米子。張首晟將這一新發現的手性馬約拉納費米子命名為「天使粒子」,這個名字來源於丹.布朗的小說及其電影「天使與魔鬼」。
張首晟是當今全球最為知名的華人物理學家之一,因為對拓樸絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究,他幾乎囊括了物理學界所有重量級獎項,導師楊振寧曾評價說,「他獲得諾貝爾獎只是時間問題」。
王康隆:叫太極粒子或更貼切
而對發現「天使粒子」作出重大貢獻的洛杉磯加州大學(UCLA)教授、清華大學微電子學研究所客座教授王康隆二十一日表示,這個粒子本身就具有浪漫主義色彩,中國人講,有陰必有陽,很久以來,物理學也認為,宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子,但馬約拉納費米子不一樣,它是正反同體的,就像是天使給予世界的物質一樣。王康隆覺得叫「太極粒子」可能更貼切,馬約拉納費米子正反同體,就像道家的陰陽八卦圖一樣。