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2019-07-21 16:47 来源:中国经济网

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张田勘 |

发布日期:2019-07-21

当存在一个巨大数字时,如果要求把这个数字拆成两个数字的乘积,经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,但量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

在我们居住的社会,无论是现实的,还是神化的,都并存着美丽与丑陋、善良与邪恶、真实与虚假、坦率与奸诈,甚至还存在着更多元的环境,无论是社会的还是自然的。因此,二元或多元世界,是人们一以贯之的认识。

但是,也有一种只有一元的社会,那就是某些文学作品、宗教和神话所描述的世界,即天堂。在那里,只有鲜花和善良,只有富足与优雅,只有公平与诚实,而不会有相反一面。但是,这样的世界人们谁也没有见过,是虚拟的。

不过,在物质的世界,现在却真的可能有一种只有天使没有魔鬼的世界。这是由华人物理学家张首晟等人发现的,他们证明了早在80年前由意大利理论物理学家埃托雷•马约拉纳(Ettore Majorana)提出的预测——物质世界存在一类没有反粒子的粒子,同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这种粒子也称马约拉纳费米子。张首晟称这种粒子为“天使粒子”。

准确地说,张首晟等人发现的是手性马约拉纳费米子,所谓“手性”,是指它会沿着某一维路径移动且方向固定。而之所以称其为“天使粒子”,源自美国作家丹•布朗的代表作之一——《天使与魔鬼》。

这部小说描绘了一个惊人的后果,物质世界中正反粒子的碰撞会将所有质量以能量的形式释放出,从而湮灭整个世界。

没有反粒子的粒子其实就是既有粒子、又有反粒子合二为一的粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。因此,如果这样的粒子构成了物质世界,将是只有天使,没有魔鬼的世界。

早在发现天使粒子之前,张首晟的其他研究成果就被汤森路透预测会获得到诺贝尔奖,其导师杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。也许,此次天使粒子的发现为其获得诺奖增添了更为重要的砝码。不过,诺贝尔奖只是一种肯定,也许并不能完全阐明发现天使粒子的重要性。

发现天使粒子最重要的意义在于——会颠覆人们的三观。我们过去对世界的看法是不全面的,甚至是错误的,天使粒子让人们认识到了物质世界的新大陆,就像哥伦布发现地理世界和人类社会的新大陆一样。

杨振宁对张首晟有如此高的评价并非在于“儿子是自己的好”——偏爱爱徒,而是后者几乎重现了当初李政道和杨振宁发现物质世界的另一个新大陆——“宇称不守恒”时的情境。

在李政道、杨振宁和吴健雄之前,多年来物理学界都认为时间和空间是对称的,20世纪物理学家又了解到动量和能量守恒定律是建立在空间和时间对称的基础上。用物理学的术语表述是,“物理作用不会因为作用的时间和地点改变而不同”,也就是说,在一个物理系统中动量和能量在物理作用前后保持不变,也即宇称守恒(Parity Conservation),因此也有人用“镜像对称”来解释宇称守恒。本质是,在原子内部世界,一种物体及其左右相反的镜像所发生的作用是相同的。

但是,1953年,有些科学家发现了一些奇怪的粒子。一般地讲,普通物质是由质子、中子和电子组成,但当普通物质被高能量质子撞击时,撞击的碎片中会产生奇异粒子。这些奇异粒子中,最引人注目的是θ和τ两种粒子。这两种粒子的生命周期很短,马上会转变成生命周期较长的其他粒子。

物理学上称这种转变为衰变。θ衰变后会产生出两个π介子,τ粒子衰变后则可变成三个π介子(介子是由日本科学家汤川秀树于1934年提出,认为它是一种在粒子衰变中起传送作用的粒子。后证实确有介子,而π介子就是其中之一,汤川秀树因此获得1949年诺贝尔物理学奖)。由于θ衰变而产生两个π介子,τ衰变时则生成三个π介子,物理学家对它们的认识产生了分歧,有人认为它们不是同一物质,但另有人则认为它们就是同一物质,而且,实验测试结果表明,这两个粒子有相同的质量和生命周期。但是,谁也没有足够的证据来说服对方和其他的人。

1956年在纽约长岛布鲁克海纹的美国国家实验室进行了奇异粒子的实验,科学家发现这两个粒子似乎为同一粒子(如今已被命名为K介子)。但是为什么同一粒子会产生两种不同的衰变模式呢?用宇称守恒的理论显然是解释不通的。所以物理学界又把这个问题称为“θ-τ之迷”。

于是,一些物理学家首先从理论上来解释这个迷,其中就有李政道和杨振宁。他们和其他物理学家提出,θ和τ两种粒子是同一种粒子的不同宇称状态,它们没有特定的宇称,因而宇称可以是不守恒的。而且,李政道和杨振宁从理论上进行了深入的讨论和论证。但是在当时,反对宇称守恒定律的说法是完全不能被接受的,因为宇称守恒是物理学的经典和核心理论。然而李政道和杨振宁提出了一个至关重要的理念,即应当把弱相互作用中的宇称守恒与强相互作用中的宇称守恒分开来对待。在弱相互作用中可能不存在宇称守恒。

理论是灰色的,任何理论都应接受实践的检验,尤其是在理论物理这样的学科中,否则一切都是纸上谈兵或无稽之谈。李政道和杨振宁想到了,要在弱相互作用中来检验宇称守恒问题,就必须寻找合作者来做实验证明他们的理论,他们理所当然地想到了吴健雄,因为她已经是大名鼎鼎的实验物理学家了,而且同是华人科学家,与他们关系比较密切。

吴健雄欣然接受李政道和杨振宁的提议,采用了当时两种最先进的物理实验技术,一是原子核实验技术,另一是低温物理实验技术,来证明宇称不守恒,当然,参与实验的还有美国其他一些物理学家,如安伯勒和哈德森。结果,实验证明了李政道和杨振宁的理论假说。

后来的情况便是,李政道和杨振宁因为提出物质世界还存在着人们所不知的宇称不守恒而获得1957年的诺贝尔物理学奖。由这个奖还产生了一个公案或质疑,认为当年的物理学奖不公正和歧视女性科学家(吴健雄),没有同时颁发给用实验证明宇称不守恒的吴健雄。

今天,张首晟等人发现天使粒子,这与李政道、杨振宁和吴健雄等人发现宇称不守恒何其相似!

张首晟从理论上精准预言了在哪里能够找到天使粒子,同时提出了哪些实验信号能够作为证明天使粒子存在的铁证。

与吴健雄相似,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校何庆林、王康隆教授领导的团队和加利福尼亚大学欧文分校夏晶教授领导的团队(都是华人科学家)根据张首晟的理论预测进行实验,发现了手性马约拉纳费米子,即天使粒子。

不过,首先提出天使粒子的并非张首晟,其间有80年的求索历史。

1928年,英国理论物理学家保罗•狄拉克提出,宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子,以狄拉克方程式来表述,从理论上预言了正电子的存在。1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时,无意间发现了狄拉克预言的正电子。此后,物理学界形成了一个定论,宇宙中有粒子必有其反粒子,正如李政道杨振宁之前认为物质世界是守恒的一样。

然而,1937年,意大利物理学家埃托雷•马约拉纳提出一个假说,世界上可能有一种没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子。这个粒子被后来的物理学界称之为马约拉纳费米子,并和希格斯波色子、引力子、磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。

于是,在粒子物理的定义中,物质是由费米子和玻色子两种基本粒子组成,费米子是构成物质的原材料,如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子;玻色子是传递作用力的粒子,如光子、介子、胶子、W和Z玻色子。马约拉纳所预言的马约拉纳费米子就成为费米子的一种,其特性是,它是一个没有反粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。

虽然也有其他科学家提出过宇称不守恒,但李政道和杨振宁从理论上进行了严密的推论,吴健雄在实验中进行了证明;张首晟正如李政道和杨振宁一样,不仅预言了天使粒子的存在,而且指出了应当在什么条件下找到天使粒子,并与何庆林、王康隆和夏晶等人一道设计实验以寻找和证明天使粒子。

在粒子物理尚不能证明或寻找到天使粒子的情况下,张首晟基于自己所研究的领域——凝聚态物理,预测了马约拉纳费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。最终,如同吴健雄一般,何庆林、王康隆和夏晶等人通过实验,证明马约拉纳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。

这次实验严格意义上讲,观测到的其实是马约拉纳费米子模的存在,也就是找到了类似马约拉纳费米子的“准粒子”或称为“演生粒子”,而并非马约拉纳费米子本身,说“结束了科学界80年的追寻”多少有些夸张。但这一发现仍然非常重要,实现一个具有手性的一维马约拉纳型准粒子系统,同样是科学界的重大超越和突破;而“准粒子”只要符合马约拉纳费米子的性质,就有可能用来实现拓扑量子计算。

量子世界本质上是平行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。由此,量子计算机能够进行高度并行的计算,比经典计算机有效得多。例如,当存在一个巨大数字时,如果要求把这个数字拆成两个数字的乘积,经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,但量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。

天使粒子的应用主要在计算机和数学,它的发现可以让人们更快地进入信息文明社会,并依靠信息文明创造更丰富多彩的物质和精神财富。至于诺贝尔奖,那是水到渠成的问题,不必念兹在兹。

来源:瞭望智库

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