張首晟首次公開解密「天使粒子」

7月21日，Science上的一篇論文，引發了朋友圈的刷屏。4位華人科學家領銜的科研團隊終於找到了正反同體的「天使粒子」――馬約拉那費米子（Majorana fermion）。

應長城會創始人文廚之邀，「天使粒子」的發現者之一張首晟教授在文章發表后的第一時間做客「文談」，與文廚飲茶暢談，從天使粒子說到文藝復興，從文藝復興說到了科學復興，並詳細地解釋了物理學界歷時80年對天使粒子的搜尋和探索。

張首晟教授與文廚

以下是張首晟教授對天使粒子的解釋：

任何偉大的科學發現，最終與哲學思想都有一定的關係。在我們的日常生活中，大家好像始終看到，世界是處於一個對立的狀態：有正數必然有負數，有善必有惡，有存款就必然有借款，有天使必然有魔鬼，有陰必有陽。在這樣的宏觀世界中，好像充滿著這樣的對立面，尤其是有天使必有魔鬼。但是我們也知道，世界最終是由基本粒子組成的。

那麼大家可能就會問，在基本粒子的層次，世界的對立面是如何體現出來的呢？

大概在1928年的時候，有一位非常偉大的理論物理學家保羅·狄拉克，他想把愛因斯坦的狹義相對論和量子力學這重大的分支統一起來。狄拉克在統一的過程中寫下了一個方程，在推導的過程中，他發現要開一個根號，也就是像是我們在中學學到的，根號9的解包括+3與-3，狄拉克發現這個方程除了正解之外也有一個負能的解，所以有些能量是正的，有些能量是負的。狄拉克當時覺得非常奇怪——好像世界上所有的粒子能量都應該是正的，怎麼會出現一個負能的解呢？一般不太優秀的理論物理學家可能就會把負的解去掉，但是狄拉克作為非常嚴謹的科學家，他在當時認為：既然方程如此預言，它其中肯定有一個深奧的含義。於是，他做了一個非常大膽的預言——如同我們的宏觀世界有兩邊對立，微觀世界也是這樣，正能解和負能解的出現就表示，有粒子便必然有反粒子。

保羅·狄拉克

當時狄拉克提出預言時，大家覺得非常驚奇，因為世界上似乎從未出現過反粒子的概念。那麼什麼叫做反粒子呢？舉個例子，如果我有一個粒子，比如說是電子。電子帶著負電，並有一定的質量，那麼它的反粒子即為與它所有別的性質都一樣，但是電荷與之相反的粒子。如果電子帶負電，有一定的質量，那麼按道理說，它的反粒子應該是帶正電，也是有同樣的質量。

當時，人們知道的粒子裡面有一種叫質子，比如說氫原子就只有一個質子和一個電子。但是氫原子的原子核就是一個質子，雖然它帶的是正電，的確是與電子相反，但是它的質量是電子的2000倍，所以不可能是電子的反粒子，所以大家都覺得狄拉克的理論肯定是不對的，因為這與對大自然的觀察是不相吻合的。但是在這個關鍵的時候，狄拉克說：「我的方程和方程的解非常美麗，大自然肯定也是這樣。」

人們覺得狄拉克非常傲慢，明明真理一定是從實踐當中才能得出，僅憑美麗的方程式就能判斷世界和宇宙都是這樣嗎？

狄拉克非常幸運。在我們的物質世界中，的確非常難找到反粒子，但是過了五年後，人們在觀察宇宙射線的時候，確實發現了反粒子的存在——狄拉克的預言變成了偉大的科學發現，從此人類開始認識到有粒子必然有反粒子。偉大的科學家也像先知一樣，用美麗的方程去預言大自然。

那麼粒子和反粒子放在一起會發生什麼事情呢？

2，這就是說電子和正電子碰在一起，它們的質量就會全部消失，兩個粒子會被同時淹沒，物質也會消失，從而完全變作能量。能量的多少是可以用愛因斯坦的這個公式算出來的。可想而知，這個能量就像炸彈一樣。

所以大家可能聽過原子彈，比原子彈更厲害的是氫彈，但是比氫彈更厲害的就是反粒子彈，因為它的能量密度高。所以正電子它可以用來造福於人類，也可能是來破壞整個宇宙的。怎麼造福於人類呢？如果你被懷疑有阿茲海默症，也就是老年痴呆症的話，要去做一個叫PET的醫學測試，這裡面的P就是正電子的意思。但是它也可以威脅人類。著名的小說家丹·布朗寫了本小說，叫《天使與魔鬼》。他在這本小說中，把天使與魔鬼的搏鬥看成是粒子與反粒子之間的對應，裡面描寫了一些恐怖分子，他們想造一個反粒子的炸彈，但是反粒子不容易被拿到，所以他們去歐洲的實驗室去將反粒子偷出來。然而反粒子的儲存是非常難的，因為我們的世界充滿了粒子，如果找到一個反粒子出來的話，它立刻就會被淹沒。因此需要將之裝在一個非常複雜的儀器中，使反粒子懸在真空中，不跟任何一個粒子碰撞，一旦容器被打碎，就會變成一個炸彈。只需要一百萬分之一顆的反粒子，就有四噸TNT的威力。小說描寫的就是這樣一個故事，有粒子必然有反粒子，而且反粒子有非常大的威脅。

隨著科學往前進步，起先大家不知道有反粒子，自從狄拉克的理論預言后，人們了解了反粒子的存在，隨後電子有了它的反粒子，質子也找到了反質子，中子的反粒子「反中子」也被找到。所以大家就認為這肯定是宇宙的真理，而且它正好和我們的哲學觀念也非常吻合，我們也講陰陽兩極的論點。

過了一陣子之後，物理學家埃托雷·馬約拉那做了一個猜想，他說會不會有一些粒子它就沒有反粒子呢？然後他也寫了一個方程，解出來也的確是非常奇妙——這個粒子就是沒有反粒子。然而，在1937年發表這篇文章后，人們對他並不理睬，文章也沒有引發什麼反響。馬約拉那非常失落，受到了很大打擊的他從此人間蒸發了。到底有沒有「不存在反粒子」這件事，從此也成為了一個謎。

埃托雷·馬約拉那

我很喜歡丹·布朗的那本小說，所以我就把這個粒子稱為天使粒子——因為這相當於是一個完美的世界，只有天使，沒有魔鬼，只有一邊，沒有對立的另外一邊。同時，這也有一個更深的原理——天使是沒有性別的，所以天使粒子這一名稱也體現了這個概念。

在整個物理學界，馬約拉那的猜想影響非常深刻。物理學家們整理了一張清單，在其中列出了人們最想找到的粒子。第一個就是希格斯玻色子，也叫上帝粒子。2012年在歐洲的粒子物理加速中心，人們找到了希格斯玻色子，這在當時是個非常振奮的發現。第二位就是我們所提到的天使粒子，第三位則是暗物質粒子。科學家們一直都在致力於尋找、證明這些粒子的存在。

然而，在天使粒子的尋找過程中，馬約拉那在消失前，只為人們留下了一個數學方程，也就是馬約拉那波動方程后，大家都不知道去哪裡找天使粒子。

2010年至2015年，我與我在斯坦福的團隊針對天使粒子一共寫了三篇文章。第一篇文章，主要是理論，論述的是「在哪裡能找到天使粒子」。

大家可能知道，我是拓撲絕緣體領域的發明者。那麼我的整個思路都是從拓撲絕緣體而來的。在2006年，我發明了全世界第一個拓撲絕緣體，2007年就在德國維爾茨堡大學的實驗中得到證實。然後我就在這裡面逐次加一點，就總會發現新的東西。2008年我提出，在這個拓撲絕緣體的的系統里放一些磁性雜質，馬上就會有一個新的效應，也就是量子自旋霍爾效應，我得的那些科學獎項也主要是獎勵這個工作的。到了2008年的時候，我就提出在這裡面加一些磁性材料，結果導致了一個新的效應，叫量子反常霍爾效應。後來這個在我們與清華大學薛其坤院士的合作中也被證明了。於是，我們就想往上面再放一個超導體。這就像做蛋糕一樣，在磁性拓撲絕緣體的上面再放一層，就是放一個超導體，在這個系統裡面，就能找到天使粒子——這是我們的第一個預言。

隨後，我們就寫了第二篇文章，主要論述了怎樣測量。

在量子反常霍爾效應的體系中，電阻始終是跳躍的，通常的台階是0，-1，+1，+2，這樣整數倍地在跳躍。因為天使粒子只有一面，它又是它自己的反粒子，或者它沒有自己的反粒子，所以在某種意義下，我們可以認為，天使粒子是通常粒子的一半。一旦天使粒子出現的時候，就會出現半個整數的台階，所以我們就寫了第二篇文章，論證了怎樣測量可以驗證天使粒子的存在。在第三章文章，我們就寫了一個非常詳盡的指導，讓實驗學家做實驗，也就是在通過調節外加磁場的時候，在某個地方就可以看到這個半整數的台階。這三篇文章發表后，大家都覺得是非常好的建議，是非常可行的計劃。

然後我們就開始跟實驗學家朋友聯繫，在2015年的8月，我們就向UCLA的王康榮教授建議做這個實驗，他也非常高興地採納了我們的建議，於是我們就一起合作，去驗證這個理論的正確性。

理論物理學家要做的工作是要把預言做得非常精準，但是具體要做還是一個非常困難的實驗，尤其是這個「蛋糕」非常不容易烤，因為底下有一層，上面有一層，搞不好兩邊就會混起來。所以實驗學家也是要做非常大的努力和貢獻。大家都有很高的合作精神，有UCLA的王康隆教授，UC Davis的劉凱教授，UC Irvine的夏晶教授，主要是通過這三個實驗小組的合作，最終在我們預言的體系和材料中，把這個「蛋糕」給烤出來了。在烤完之後，我們做了一個測量，發現的確是在通常的0，1，2這樣的整數台階當中，半整數台階的存在。

此後我們就將文章投給了Science期刊，得到了專家的肯定，隨後根據批語補充了需要的實驗，更是鐵證如山地證明了我們所預言的天使粒子的存在。最終，我們的文章於2017年7月21日在Science發表。

追求真理，這是一個漫長的過程，但是現在在國際領域內，大家都給予了非常肯定的評價。從理論的架構到實驗的執行，都是非常難的，然而我們最終成功做到了。追溯到1937年，這整整80年的搜尋，這麼高難度的實驗最終是被我們華人科學家團隊完成了，我也想在這裡對我們的實驗科學家朋友們表示最由衷的敬意。

這一發現把我們人類帶入了一個全新的時代，使得我們認識到，這個世界上還可以把一個最基本的粒子拆成兩半，在這個激動人心的時刻，我就把它命名為天使粒子，一方面是因為我看了丹·布朗關於天使與魔鬼的小說，如果粒子沒有反粒子，那麼就好像找到了一個完美的世界，沒有魔鬼，只有天使；另一方面，天使是一個美麗的形象，而天使粒子也是真正代表了大自然最美麗的思想的實現。

科學復興

長城會創始人文廚認為，在呼喚科學復興的時代，科技的源頭就是科學。在過去幾十年裡，隨著電腦、互聯網和移動互聯網的蓬勃發展，科學技術得到極大地普及和應用。「我們認為未來幾百年，科學將迎來人類有史以來最美妙的春天，一個科學復興時代。」

我們每一個人都需要科學精神，需要科學家視野、思維和思想。

張首晟教授談科學復興

在科學復興的時代，我也在盡我所能去引導和傳授。除了把拓撲絕緣體這一研究成果帶到，在教學過程中，我所傳授的最核心的價值，就是引導學生自主學習的這一套教學方法。通過實例，引發學生們的興趣，增強學生們自主學習和研究的能力。同時，我也將我在學術過程中的經驗分享出去，將我對學術的審美觀傳達給學生。

現在是雙創的時代，斯坦福大學正是產學研結合的典範。而我在斯坦福成功天使投資了VMware，人們常常問我關於產學研結合和天使投資的經驗。僅是說兩句經驗，那肯定是不夠的，不如一邊做一邊學——於是我就成立了風險投資基金丹華資本，建立斯坦福與的橋樑。在這個過程中，我們通過投資，把原先紙上談兵的經驗談，變成了真正的實踐，去看看別人的公司是怎麼成功地將產學研結合起來的。由此以來，我們也可以藉此橋樑，把我們的雙創做得更好，做更多的貢獻。

我相信科學復興將會是未來的趨勢，而正如文藝復興的中心弗洛倫薩一樣，科學復興的中心很有可能不僅僅在美國的矽谷，我希望下一個矽谷會是北京、上海、深圳，或者杭州。

關於本次長談的直播全程回顧，歡迎掃描下方二維碼觀看：

（小福利：直播中張教授還談到了他和夫人的愛情故事）

後記：

與張首晟教授的這次長談只是個開始，世界小郵差文廚還將在最近邀請更多全球頂級大咖來做對談，矽谷Live將會做全程直播。矽谷，是個人才聚集的地方，我們也相信更多的思維碰撞會在這裡誕生。

鎖定矽谷Live，隨時獲取「文談」矽谷系列直播通知，讓你最短時間對接全球最頂尖的大腦！