可能獲得諾貝爾獎的重大發現到底是什麼？

科技 07-23

周一·最新發現|周二·牧夫專欄

周三·太空探索/周三·天文測試

周四·觀測指南|周五· 天文視頻

周六·星空的詩|周日 · 天文周曆

從馬約拉納費米子談起

最近，馬約拉納費米子這個物理概念走進了大家的視野。那麼，什麼是基本粒子？什麼又是費米子？馬約拉納又是誰？反粒子和反物質存在嗎？在接下來的文章中，小編將帶著大家逐一探索這幾個問題，並且不局限於馬約拉納粒子，而是從多個角度介紹一下與這次物理學界的重大發現有關的比較有趣的知識。

容貌俊美的義大利物理學家馬約拉納

真的找到了

馬約拉納費米子嗎？

首先澄清一下，很遺憾，這次並沒有真正地「發現」馬約拉納費米子哦。因為無論是2014年普林斯頓大學的研究成果，還是之前上海交通大學賈金鋒教授的科研團隊，乃至近期轟動一時的多個由華人科學家領導的團隊所取得的研究進展，實際上獲得的並不是基本粒子，而是一種凝聚態物理中的「類似物」，即一種准粒子，是材料中具有類似性質的激發態。這和粒子物理中的概念相去甚遠。但是大家不要失望，因為每一次研究的進展，都象徵著我們又向最終的答案邁進了一步。

神奇的基本粒子

保羅·狄拉克與反粒子

很多報道中提到，馬約拉納費米子的一個特點是，其反粒子還是它本身。也正因如此，張守晟教授將其命名為「天使粒子」。那麼什麼是反粒子呢？我們先簡單了解下其研究過程。

1898年舒斯特在一篇文章中首次提出了反物質的概念，但是在當時並沒有引起過多注意。上世紀20年代，正是人類物理學界風雲變幻的年代。在這個量子力學、相對論乃至量子場論、量子電動力學風暴席捲全球的過程中，有一顆明亮的星給物理學研究帶來了耀眼的純白色光芒，他的名字是保羅·狄拉克。

1927年，在劍橋大學讀研究生的狄拉克在研究高能粒子的能量與動量的時候，首先注意到了粒子能量為負的可能性，即解出了一個「負能解」。這對於自由粒子來說是違反常理的結果。為了解決這一疑難，狄拉克在數年之後提出了一個叫「狄拉克海」的概念，即假設真空所有的負能級都是被電子所填充的，而正能級則是空的，這就好比一片無盡的「負能海」。如今，這通常被看做是人類第一次正式提出反粒子的存在。顯然，根據這個模型，當一個負能級中的電子由於吸收具有一定能量的光子而受到激發並躍遷到正能級的時候，它原有的地方就會空出來，這個地方在物理學上叫「空穴」。那麼，這個負能區上的空穴，就相當於一個與電子的電荷符號恰好相反但是質量相等的「正電子」，其在物理上的行為是一致的。這樣，正電子和普通的負電子就為一對反粒子。隨後，我國物理學家趙忠堯觀測到了正電子存在的間接信號，而安德森則利用其發明的「安德森雲室」，在宇宙射線中發現了正電子。而隨著對撞機技術的逐漸完善，人類又逐漸發現了反質子，反中子等反粒子。

那麼，反物質就是由反粒子組成的物質。正反粒子會由於碰撞而湮沒成光子對，其質量轉化為能量。因此，從對稱性角度出發，科學家們認為，每一種粒子都有其反粒子，在宇宙大爆炸初期，產生了等量的物質和反物質，但是大部分都由於碰撞而湮滅了，而目前宇宙中觀測的光子數與重子數的比值也支持著這一想法。目前，正反物質的不對稱性也是粒子物理的一個很有趣的研究方向。

如今物理學界普遍不再採用狄拉克海的模型，而用場的理論取而代之。但是，狄拉克海與狄拉克空穴假說，將量子力學進一步升華，並且將粒子的概念提高到了一個新的高度——量子場的激發態。

偉大的物理學家狄拉克，他是量子力學的創始人之一，也是量子電動力學創始人（沒有之一）。

基本模型是什麼？

前文提到了頗多關於基本粒子的概念，那麼，有沒有描述基本粒子的一個模型呢？答案就是標準模型。

1967年，物理學家史蒂文·溫伯格在一篇叫《一個輕子的模型》中，預言了61種基本粒子。如今，隨著希格斯玻色子的發現，這些粒子已經全部找到。而這篇文章也被認為是標準模型的誕生。

標準模型中，粒子被按照其自旋這一內稟參量分為了玻色子和費米子。電子就是最典型的費米子，而光子和前幾年走入大家視野的「上帝粒子」希格斯粒子都是玻色子。說自旋是內稟參量是因為，粒子並不是真正的像地球自轉那樣運動，否則電子的表面會超光速，這顯然是不切實際的。因此，自旋只是一個名稱而已。

那麼費米子和玻色子的最大區別就在於，費米子滿足泡利不相容原理，而玻色子則不然。

但是，標準模型還遠非基本粒子的最終答案，它還有很多難以解決的問題，例如中微子質量問題、缺少暗物質候選者問題，以及真空穩定性等。另外，作為一個完善的理論，它的參數似乎太多了，這顯然難以服眾。

因此，在標準模型之上，新物理研究正在蓬勃發展，其中一個充滿活力的研究領域便是超對稱理論。目前我國有許多研究超對稱理論的團隊與傑出的研究人員，例如中科院理論物理所、北京大學、上海師範大學、以及鄭州大學的王飛教授等人，有志於研究物理的學子不妨投身其中。

基本模型示意圖

馬約拉納費米子

到底是什麼？

提到馬約拉納費米子，不得不提天才科學家馬約拉納。我們先簡單了解下他傳奇的一生。

1906年8月5日，在義大利西西里島的卡塔尼亞，誕生了一位極具天賦的理論物理學家，他的名字叫做埃雷爾.馬約拉納（Ettore Majorana）。

1923年，年僅17歲的他進入大學學習工程學，1927年，加入了恩里科·費米在羅馬大學的研究團隊，成為「Via Panisperna boys」的一員。1928年，在物理學家埃米利奧.賽格爾的強烈建議下，他轉學物理學。1928年他取得他的第二學位。他的一生只發表了9篇文章。1929年與羅馬一位物理學博士合作，論文中探討了有關原子光譜的問題。1937年被那不勒斯大學無試聘為教授。正是在那一年，他將狄拉克方程式改寫，得到了馬約拉納方程式，從而提出了馬約拉納費米子，即天使粒子。

1938年3月，馬約拉納離奇的失蹤了，他真正用於研究物理的時間大約只有五六年，但他顯現出的才華和極敏銳的洞察力，特別是對很多當時的物理難題的超前思維，只能用「無與倫比」來形容。正如費米所說的：「世界上有很多種科學家，二流或三流的科學家窮其一生也無法走遠，而一流的科學家，做出了重大的發現，為科學的進步奠定基礎。但還有天才，像伽利略，牛頓那樣的科學家，馬約拉納就是他們中的一個。

天才物理學家馬約拉納

那麼馬約拉納費米子的定義是什麼呢？相信很多讀者都聽說過薛定諤方程，這個方程堪稱量子力學中最有名的式子。而該方程僅適用於描述非相對性的粒子的運動。因此，狄拉克提出了適用於相對性粒子的狄拉克方程。該方程描述了自旋為-1/2的粒子的波函數，巧妙地將量子力學與狹義相對論結合到一起，可以看做是薛定諤方程的洛倫茲協變式。而馬約拉納進一步改寫狄拉克方程，就得到了馬約拉納方程。電荷共軛等於自己的旋量叫馬約拉納旋量，因此，用這種旋量描述的費米子就叫馬約拉納費米子。換言之，那麼反粒子是自己的費米子就是馬約拉納費米子。

與凝聚態中尋找的准粒子（准粒子是不能脫離多體系統而存在的，它可看做多體系統中集體坐標的有效行為）不同，本段我們所說的馬約拉納粒子指的就是與標準模型中粒子類似的基本粒子。那麼高能物理實驗中是否有尋找這一神奇的粒子的實驗呢？

答案是有的，在位於美國南達科他州的桑福德地下研究所就在進行這樣的工作。目前，馬約拉納費米子的候選者主要是中微子。在該地下研究所里便有一台馬約拉納演示器在進行雙貝塔衰變實驗。如果觀測了雙貝塔衰變現象，就能證實中微子是馬約拉納費米子。而如果超對稱是正確的，那麼超對稱理論中的玻色子的超對稱伴子都是馬約拉納費米子。

探尋這些基本粒子，對我們研究宇宙的起源與演化都有非常大的幫助。例如前文提到的正反物質的不對稱問題，其答案或許就藏在這個被張守晟教授稱為「天使粒子」的馬約拉納粒子之中。

科幻般的超級神岡探測器

如何找到反物質？

那麼，想必大家也很關心這個問題，那就是如何找到反物質？

在趙忠堯和安德森先後間接與直接地觀測到正電子之後的幾十年中，反物質的探測也取得了非常多的成果。比較有代表性的，就是1959年塞雷格和張伯倫等人在回旋加速器上發現的反質子，1965年丁肇中等人觀測到的反氘核，以及1971年蘇聯科學家們發現的反氦3。

目前，反物質的探索的主力是布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機，該團隊主要目標是找到反物質原子核。而歐洲核子中心也在這個領域取得了建樹，並且對反物質的合成進行了嘗試。

另外，探索反物質的引力效應也是一種方法。根據廣義相對論的等效原理，等質量的正反物質引起的引力效應應該是一樣的。另外，廣義相對論預言了原子光譜會隨著引力場的變化而發生變化，因此如果氫原子光譜與反氫原子光譜發生了不同的變化，就會對等效原理這一理論產生衝擊。

在我國，中國科學院上海應用物理研究所的副所長馬余剛所領導的核物理研究室，多年來也在反物質研究方向取得了很多成果。反質子-反質子的相互作用的散射長度和有效力程這兩個描述強相互作用的基本作用參數便是由該團隊首次得出，其項目「相對論重離子對撞機上發現首個反超核粒子——反超氚核」更是入選了2010「中國科學十大進展」。