《电子技术应用》

华裔科学家张首晟发现天使粒子 物理学界80年难题获解

2017/7/21 16:08:00

       2017年7月20日,著名物理学家张首晟及其研究团队召开新闻发布会,宣布他们在美国的《科学》杂志上发表了一项重大发现。这个重要发现是:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在——这个新发现的粒子,被张首晟院士命名为“天使粒子”。

  这里瞬间就出现了两个物理学家的名字:“费米”与“马约拉纳”。其中对于费米大家都比较熟悉,他是实现人工核反应堆(原子弹)的首席科学家,也是李政道先生在芝加哥大学读博士时候的博士论文导师,那么,问题来了——

  谁是马约拉纳?

  假如你去一个海滨城市,在某个浪漫暧昧的夜晚,徐徐海风吹拂之下,一些游轮餐厅也许会放着这样的音乐,那是Rod Stewart 的《SAILING 》:

  I am sailing, I am sailing ……cross the sea。

  I am sailing stormy waters, ……

  ……

  I am dying……

  其实,这首歌是非常适合来描述马约拉纳这个人的呢。

  事情还要从20世纪20年代中期说起,那是在物理学的复兴之路上的意大利,伽利略的物理学后裔费米在意大利开始经营他的新罗马帝国。当时, 费米在罗马大学组建了一个物理研究所,这个组里汇集了一批意大利当时最优秀的青年物理学家,21岁的帅哥马约拉纳也在这个研究组里。

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马约拉纳

  当时他俩都是只有二十几岁,梦想都很大,说话也很随便。

  马约拉纳说:“每隔500年才有一个类似阿基米德或牛顿这样的科学家出现,而每隔100年就会有1至2个爱因斯坦和玻尔这样的人出现。”

  费米说:“那费米是几百年出一个?”

  马约拉纳说:“我们谈的是爱因斯坦与玻尔……”

  马约拉纳是一个很有天赋的物理学家,他的分析与计算能力对整个研究组的帮助很大。

  只要有他在的地方,就没有人会用计算尺和笔算。马约拉纳能够口算出243的平方根乘以578的立方根等于多少这样的数学题……费米和他曾有过一场计算能力的PK,费米用纸笔尺,马约拉纳只用脑子,然后比赛结果是平局……而众所周知,费米的计算能力也是非常强的:后来在美国爆炸原子弹的时候,他就站在很远之外,手里拿张纸,撕成碎纸片。原子弹的冲击波来了,他把纸一扔,然后根据纸片被卷走的高度、速度和距离计算原子弹释放的能量值。冲击波走了,费米就算出来了,而且计算出来的结果和精密仪器测试的结果不相上下……

  马约拉纳对自己的研究工作自我要求很高,他很少发表研究成果,除非他本人觉得研究结论已经无可挑剔。

  一九二九年,费米研究组的成员之一瑞萨缇(Franco Rasetti)在美国加州理工学院进行访问研究时,测量了氮原子核的自旋数,其结果是“一”,这让当时的物理学家很费解。马约拉纳立刻意识到原子核应该是由带正电的质子和一种不带电的、质量与质子相近且自旋亦为二分之一的粒子所组成。他把这种粒子叫做 “中性质子”,也就是人们后来发现的中子。具体到氮原子核,其组成应为七个质子加七个“中性质子”。他同时也意识到,为了使原子核不致因内部的质子们 “同性相斥”而分崩离析,核内一定存在一种比电磁力强得多的相互作用力,他称之为“交换作用力”——这就是后来人们所说的强相互作用力。不过可惜的是,马约拉纳这个人非常低调,甚至有些消极,他没有发表这些结果。

  几个月后,俄国的一个名字叫伊万年科(Dmitri Ivanenko)的物理学家也认识到了中子的存在,发表了相关的文章。费米抱怨他坐失良机,,马约拉纳也仅仅只一笑置之——从这里也许可以看出马约拉纳是一个比较淡漠的青年,可能还有点抑郁,从这里倒可以解释他具有某种先天的自杀倾向。

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  为什么叫“天使粒子”?

  那么,这次张首晟他们发现的手性马约拉纳费米子为什么取了一个名字叫“天使粒子”呢?

  这里面可能有好几个原因,蝌蚪君给大家来分析解读一下:

  首先,是因为马约拉纳费米子是很特殊的,一般的粒子都是既有正粒子又有反粒子,比如电子与正电子是不同的。但是,马约拉纳费米子的特点是正粒子就是反粒子。所以,天使与魔鬼集成在同一个粒子身上了,因此取名叫天使粒子。不过,从这个角度来说,这个粒子的取名也可以换成“魔鬼粒子”,意思也是一样的——因此还需要其他理由。

  其次,是因为有一个希格斯粒子被称为上帝粒子,于是,为了与上帝对应,现在搞出了一个天使粒子。

  最后,有可能是因为马约拉纳本身就是一个折翼的天使。

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