“你們有誰熟悉拓?fù)浣^緣體這個理論？”——在熱門美劇《生活大爆炸》第四季14集的一開始，鬼才物理科學(xué)家謝爾頓站在講臺上，向在座學(xué)生們提出了這樣一個他自認(rèn)難度系數(shù)頗高的問題。

這一集播出的當(dāng)晚，“拓?fù)浣^緣體”這一關(guān)鍵詞被4000多萬人關(guān)注，而提出“拓?fù)浣^緣體”這一概念的正是享譽(yù)世界的前沿物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)杰出華裔教授張首晟（Shoucheng Zhang）。

張首晟，美籍華裔物理學(xué)家，美國文理科學(xué)院院士、美國物理學(xué)會學(xué)士、中國科學(xué)院外籍院士、美國國家科學(xué)院院士?，F(xiàn)任斯坦福大學(xué)物理系、電子工程系和應(yīng)用物理系教授。

幾年之后，張首晟再次感受到這種大眾盛情。

在過去的24小時內(nèi)，他成了華文媒體競相報道的主角，“諾貝爾獎”、“驚世突破”，這些重磅概念被媒體一一加諸其身。硅谷當(dāng)?shù)貢r間7月20晚，筆者第一時間致電張首晟向他表示恭賀時，他坦言現(xiàn)在一切太過“overwhelming”。

這一切，源自7月20日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章。在這篇文章中，作者們通過一系列實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了手性（在多種學(xué)科中表示一種重要的對稱特點(diǎn)）馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）的存在。經(jīng)過24小時的發(fā)酵后，不少人對于這一術(shù)語更為熟悉的說法為“天使粒子”。

不過，上述實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者之一——加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）電機(jī)工程系教授王康隆教授則認(rèn)為，稱呼它為“太極粒子”似乎更為恰當(dāng)。在王教授看來，太極——這種中華文化的特殊元素能更為形象地傳達(dá)馬約拉納費(fèi)米子正反合一的特殊屬性。

不論是“天使粒子”還是“太極粒子”，捕捉到馬約拉納費(fèi)米子對于物理學(xué)史來說，都是一項(xiàng)具有里程碑意義的重大發(fā)現(xiàn)。今天上午，王康隆教授接受了美國中文網(wǎng)的電話采訪，分享了此次發(fā)現(xiàn)背后的故事，并解釋了新發(fā)現(xiàn)的理論和應(yīng)用價值。

王康隆，加州大學(xué)洛杉磯分校電機(jī)工程系教授

追捕神秘的“馬約拉納”

過去80年間，全球物理學(xué)界都在捕捉神秘的馬約拉納費(fèi)米子，這場漫長的捕捉活動源于意大利物理學(xué)家埃托雷．馬約拉納（Ettore Majorana）在1937年提出一個大膽假設(shè)。

在物理學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)成物質(zhì)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(zhì)屬性前提下的最小體積物質(zhì)，也是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)?；玖Ｗ佑址譃閮煞N：費(fèi)米子和玻色子，分別以美國物理學(xué)家費(fèi)米（Enrico Fermi）和印度物理學(xué)家玻色（Satyendra Nath Bose）的名字命名。人類已知的所有基本物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（電子、夸克、中微子），而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。

較早之前，英國物理學(xué)家保羅．迪拉克（Paul Dirac）的觀點(diǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位。他在1928年提出假想，認(rèn)為宇宙的每個基本粒子，都有一個相對的反粒子，就像是一對雙胞胎，但是帶著正負(fù)能量，當(dāng)它們相遇時會相互湮滅。幾年后，物理學(xué)家確實(shí)發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)，即和電子相對的正電子（Positron，又稱反電子）。

埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana），意大利物理學(xué)家

這種觀念在1937年出現(xiàn)顛覆。意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，它們的反粒子就是它們自身，這種費(fèi)米子被稱為馬約拉納費(fèi)米子。

在馬約拉納預(yù)言這種特殊費(fèi)米子存在后近80年的時間里，全球科學(xué)家們從未停止過對于Majorana的追捕，但一直未果。過去20年，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，物理學(xué)界離這種神秘的費(fèi)米子越來越近。在加州高校之外，包括普林斯頓等諸多全球知名學(xué)府也在堅(jiān)持不懈地進(jìn)行著各類實(shí)驗(yàn)，只不過，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往模棱兩可，不太理想。

一篇文章 十年功夫

一年多以前，在加州大學(xué)洛杉磯分校的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，馬約拉納費(fèi)米子第一次閃現(xiàn)了跡象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)落在量子系數(shù)的范圍之內(nèi)，完美得令實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們不敢相信。

一次偶發(fā)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不足為據(jù)，有意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要反復(fù)數(shù)十次的可重復(fù)性論證。一次又一次，數(shù)據(jù)完美重合。于是，在反復(fù)驗(yàn)證近30次后，實(shí)驗(yàn)組滿懷信心地整理了實(shí)驗(yàn)報告，并在一年之前向《科學(xué)》雜志提交了論文初稿。

“第一次提交后，審稿人向我們提出，在馬約拉納費(fèi)米子外另一種可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性”，王教授告訴美國中文網(wǎng)：“隨后，我們又經(jīng)過不斷地實(shí)驗(yàn)論證，排除了其它可能性。這樣的來回有兩三次，每一次都是長達(dá)30頁的反饋報告。”

最新一期《科學(xué)》封面（上）及相關(guān)文章詳情

直到2017年7月20日，這篇文章終于在《科學(xué)》上發(fā)表，文章總計(jì)20位署名作者，分別來自于8所高校和機(jī)構(gòu)，其中主導(dǎo)者為加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和斯坦福大學(xué)的張首晟理論團(tuán)隊(duì)。

事實(shí)上，從啟動研究到文章發(fā)表，前后歷時長達(dá)十多年。這其中，實(shí)驗(yàn)材料的甄選尤為重要。據(jù)王康隆教授介紹，整個實(shí)驗(yàn)組前前后后共計(jì)篩選了近4000種材料， 并在精益求精地不斷優(yōu)化之后，才最終讓馬約拉納費(fèi)米子切實(shí)現(xiàn)形。這其中，張首晟在2008年提出的“拓?fù)浣^緣體”的指導(dǎo)意義很關(guān)鍵。

此次研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜與超導(dǎo)體混合的結(jié)構(gòu)中施加強(qiáng)度很低的磁場之后，會形成量子反?；魻栃?yīng)態(tài)與超導(dǎo)態(tài)共存的狀態(tài)，此時在磁場交替反轉(zhuǎn)的位置可以觀測到手性拓?fù)涑瑢?dǎo)序?qū)?yīng)的半整數(shù)量子化電導(dǎo)，這種現(xiàn)象也是馬約拉納費(fèi)米子模式的一個鮮明特征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用價值巨大

本次發(fā)現(xiàn)結(jié)束了物理學(xué)界長達(dá)80年對馬約拉納費(fèi)米子的追蹤，被廣泛認(rèn)為是繼發(fā)現(xiàn)“上帝”粒子（希格斯波色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑。它不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價值——讓量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)前，計(jì)算速度已經(jīng)接近飽和，量子計(jì)算又因?yàn)榉€(wěn)定性欠佳而進(jìn)步受限，馬約拉納費(fèi)米子分發(fā)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)速度的再一次騰飛提供了可能性。“馬約拉納費(fèi)米子在‘拓?fù)浒戮哂袠O高的穩(wěn)定性”，王康隆教授向美國中文網(wǎng)解釋稱，“這一特性將使得計(jì)算機(jī)在計(jì)算量和復(fù)雜難度上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍?！?/span>

量子計(jì)算機(jī)局部

也正因如此，微軟、IBM等知名IT巨頭對于相關(guān)研究非常重視，且紛紛投入大量資金，爭相占領(lǐng)量子計(jì)算領(lǐng)域的制高點(diǎn)。王康隆教授透露，目前的研究新方向粒子組合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算。預(yù)計(jì)，當(dāng)前發(fā)現(xiàn)將在可預(yù)見的未來逐漸走向商用。

重大突破背后的華人科學(xué)家群像

“他獲諾貝爾獎只是早晚的事”，在馬約拉納費(fèi)米子被捕捉到的消息被媒體曝光后，諾貝爾獎得主、華裔物理學(xué)家楊振寧在接受采訪時，毫不吝嗇地對曾經(jīng)的學(xué)生張首晟予以嘉獎。

毫無疑問，張首晟是現(xiàn)今物理學(xué)界最受矚目的華人科學(xué)家。1996年，年僅33歲的張首晟成為斯坦福大學(xué)教授。憑借拓?fù)浣^緣體和量子自旋霍爾效應(yīng)兩項(xiàng)理論的發(fā)現(xiàn)，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎；2014年獲得美國富蘭克林獎。如今，馬約拉那費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)，再次彰顯了張首晟提出的理論基石的重要意義。

年輕時的張首晟（上圖，左）與楊振寧

楊振寧與李政道（下圖）

在楊振寧和李政道一同摘下諾貝爾獎之后，越來越多的華人科學(xué)家走上世界舞臺。在7月20日發(fā)表于《科學(xué)》的這篇文章中，絕大多數(shù)主要貢獻(xiàn)者均為華人。主要團(tuán)隊(duì)領(lǐng)先者中，張首晟來自中國上海，目前在任職斯坦福大學(xué)，同時受聘于清華大學(xué)。王康隆來自中國臺灣地區(qū)，與中國大陸高校交流廣泛。他的學(xué)生、論文首作何慶林來自中國廣東，目前在UCLA擔(dān)任博士后研究員。另一位署名學(xué)生寇煦豐則已經(jīng)學(xué)成回國，加入了上?？萍即髮W(xué)，擔(dān)任助理教授。

“在加州，華人教授與學(xué)生都很多，這產(chǎn)生了聚集效應(yīng)，并與來自中國以及全球的華人科學(xué)家們共同織成一張良性循環(huán)的網(wǎng)”，王康隆告訴美國中文網(wǎng)：“不同于楊振寧獲獎的時代，現(xiàn)在中國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科研技術(shù)不斷進(jìn)步，科研經(jīng)費(fèi)也日漸充足。中國與美國在理論和應(yīng)用科學(xué)方面的差距將逐漸縮小，我們將看到更多中國/華人科學(xué)家在世界科學(xué)史的舞臺上做出重要貢獻(xiàn)。”

與其說，張首晟個人獲得諾獎“只是早晚”，不如說，華人科學(xué)家的集體閃耀“已經(jīng)到來”。