繼去年美國科學家宣佈第一次直接探測到引力波的存在，找到了愛因斯坦廣義相對論的最後一塊拼圖後，物理學家們現在又迎來了一個偉大發現。
根據美國華裔科學家、史丹福大學物理系、電子工程系和應用物理系終身教授張首晟及其團隊的介紹，其已證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在，這一重大發現已發表在最新一期的科學雜誌上。
引力波從提出猜想到最終被發現歷經一百年，而Majorana費米子從1937年被意大利理論物理學家EttoreMajorana提出猜測到今日也已整整過去八十年。
手性Majorana費米子的發現為持續了整整80年對這一神秘粒子的搜索畫上了圓滿的句號。類比Dan Brown描述正反粒子湮滅爆炸的小說《天使與魔鬼》，張首晟提出這一新發現的手性Majorana費米子應該稱為天使粒子：我們發現了一個完美的世界，那裏只有天使，沒有魔鬼。
粒子撬動的世界
科幻小說《三體》中，三體人為了佔領地球，創造了智能機械人智子並派駐地球，它的一個重要任務是通過干擾地球粒子高能加速器的運轉，進而干擾人類對基礎科學的研究，實現鎖死人類科技進步的目標。
智子雖然是科幻小說中的一個角色，但基礎科學研究在近幾十年遭遇瓶頸，卻是人類社會面臨的真實挑戰。
20世紀初，物理學界掀起量子革命，在顛覆經典物理、為人們認識世界和宇宙打開新大門的同時，量子世界的波粒二象性、波函數坍縮等基本數學特性，也為科學家們帶來新的未解謎團。
為了解釋這些現象，科學家們提出了哥本哈根解釋、多宇宙論、隱變量理論、系綜理論、GRW理論以及退相干歷史等，但至今仍未真正揭開量子論的神秘面紗。儘管如此，量子論的興起依然徹底改變了世界的面貌，核能、計算機技術、新材料、能源技術、信息技術等的發展，都與量子論密切相關。
量子論的神秘吸引着大批科學家投身其中，在量子論的影響下，物理學者們已經達成共識，認為物質是由基本粒子組成，這些基本粒子彼此之間相互影響的基本力有四種。而對粒子與力的探尋，將能真正揭開宇宙的奧秘。
為此，科學家們提出了許多理論假設，在物理學中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯玻色子（也被稱為上帝粒子，已在歐洲粒子加速器中被發現）、引力子、磁單極、暗物質和Majorana費米子。
如今，隨着Majorana費米子被發現，表單中的神秘粒子又少一個，這意味着人類在解開宇宙真相的道路上又前進了一步。
獨特的天使粒子
根據粒子物理的定義，物質由費米子和玻色子兩種基本粒子組成，費米子是構成物質的原材料（如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子）；玻色子是傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）。
位列神秘粒子名單的Majorana費米子是費米子的一種，其獨特之處在於，它是一個沒有反粒子，或者說反粒子就是其自身的粒子。
在人們的傳統觀念中，世界總是由正反對立的事物構成，例如有正數即有負數，有存款即存在負債，對於我們而言，這似乎是世界存在一大基本法則。
正反對立的法則在粒子世界同樣如此。
1928年，偉大的理論物理學家、量子力學的奠基人之一狄拉克做出預言：宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。幾年後，正電子果然在宇宙射線中被發現，驗證了有史以來最偉大的理論預言之一。目前，正電子被廣泛應用到人類生活之中，醫學影像技術PET（Positron Emission Tomography,正電子發射斷層掃描）就是其中之一。
當一個粒子遇上它的反粒子時，根據愛因斯坦E=mc2的質能公式，它們會相互湮滅從而將所有質量釋放出成能量。Dan Brown的小說及其電影《天使與魔鬼》就描述過這樣的正反粒子湮滅爆炸的場景。
從此以後，宇宙中有粒子必有其反粒子被認為是永恆不變的真理。但是，正電子的發現並未終結科學家對粒子世界的猜想。
1937年，也就是整整八十年前，神秘的意大利理論物理學家EttoreMajorana做出這樣的猜測：會不會有這樣一類沒有反粒子的粒子，或者說它們自身就是自己的反粒子？這也就是今天所稱的Majorana費米子。
EttoreMajorana一生只發表了三篇論文，且在文章泄露Majorana費米子天機之後不久就失蹤而從此銷聲匿跡了。因此相較其他粒子而言，Majorana費米子顯得更加神秘，自從1937年EttoreMajorana做出以上猜測開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。
七年跋涉
天使粒子即Majorana費米子得以被發現，源於來自UCLA（加州大學洛杉磯分校）（加州大學爾灣分校）（由Kang Wang教授領導）和UC Irvine的兩個實驗團隊與Stanford（斯坦福）大學張首晟教授的理論團隊通力協作七年得來的成果。
根據張首晟的介紹，七年前，團隊開始系統的提出實驗方案，在2010到2015年期間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪裏能夠找到Majorana費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。
如果按照此前科學家們提出的既有路徑，Majorana費米子被發現還需要等10到20年。因此此前根據科學家的推測，在粒子物理中，標準模型範疇之外的中微子可能是Majorana費米子；這一猜測有可能被無中微子的beta雙衰變實驗所驗證。遺憾的是，這項實驗所要求的精度在今後的10年到20年以內都難以達到。
而在凝聚態物理中，Majorana費米子有可能作為某些新奇量子基態上的准粒子或元激發而存在。
張首晟及其團隊預言，手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。
實驗過程如下：在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨着調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平台，對應着1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。當把普通超導體置於反常量子霍爾效應薄膜之上時，臨近效應使之能夠實現手性Majorana費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平台，對應1/2倍基本電阻單位e2/h。這半個基本電阻來源於Majorana費米子沒有反粒子，因此某種意義上它可以視為半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平台就提供了有力的證據，證明在時空中傳播的手性Majorana費米子的存在。
根據這一理論預言，來自UCLA（由Kang Wang教授領導）和UC Irvine的兩個實驗團隊與Stanford大學張首晟教授的理論團隊緊密合作，最終探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平台，在張首晟團隊所提出的器件中實驗上發現了手性Majorana費米子。
隨後的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗噪聲與假象。這一重大發現已發表在這一期的科學雜誌上。
七年的研究終於畫上了圓滿的句號。
量子計算的新希望
Majorana費米子被發現，還具有更加現實的意義——在固體中實現拓撲量子計算將成為可能。
在張首晟看來，天使粒子的發現「非常非常神奇，這意味着一個量子比特可以拆成兩個，對整個量子物理有根本的改變。」
著名的光學雙縫實驗證明，量子世界呈現波粒二象性，粒子可以同時穿過兩道縫隙——這顯然與人們的常識相違背，一個人不可能同時出現在上海和北京，但在量子世界，這是真實存在的現象。
儘管科學家們尚無法解答這一疑問，但量子世界的特點卻為計算機的發展提供了全新思路。由於量子世界本質上是並行的，一個量子粒子能夠同時穿過兩個狹縫。所以量子計算機能夠進行高度並行的量子計算，遠比經典計算機有效。
然而，量子計算的實現面臨一個非常大的挑戰：量子比特的信息非常難以存儲，微弱的環境噪聲都能夠引起退相干從而毀滅其量子特性。
量子比特難以儲存的原因來自於量子糾纏的特性，量子糾纏被愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」，以電子的「自旋」作例子，兩個相互糾纏的電子對，當其中一個順時針轉時，另一個就逆時針轉，量子糾纏可以預測相隔甚遠的電子對的狀態，即便它們一個在地球，一個在月球，沒有傳輸線相連，如果你在某個時刻觀測到其中一個電子在順時針旋轉，那麼另一個在同一時刻必定是在逆時針旋轉。換句話說，如果你對其中一個粒子進行觀測，那麼你不止是影響了它，你的觀測也同時影響了它所糾纏的夥伴，而且這與兩個粒子間的距離無關。
量子糾纏的神奇之處就在於，當你對其中一個粒子測量時，也會影響到另一個粒子的狀態，儘管二者之間沒有作用力、滑輪或電話線之類的東西相連，沒有任何方法可以彼此溝通。
在量子計算中，作為量子信息單位的是量子比特（qbit）儲存在單個粒子上，封閉的量子世界存儲在0、1的空間中，由於量子糾纏的特性，量子比特非常非常脆弱，觀測者會影響到量子比特的狀態。
Majorana費米子沒有反粒子，或者說相當於半個傳統粒子，便提供了一種絕妙的可能性：一個量子比特能夠存儲在兩個距離十分遙遠的Majorana費米子上。如此一來，傳統的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。
相較於傳統的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩固。
張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許Majorana費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能。
從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，但是張首晟教授對於這天使粒子巡遊的量子天堂充滿了興奮與期待：拓撲量子計算能夠解決當下人類面對最艱難的一些問題，從而迎來一個完美世界。
物理學家的信仰與方法論
霍金的傳記電影《The Theory Of Everything》中有這樣一句台詞：宇宙物理學家的信仰是什麼？一個單一的統一方程式解釋宇宙間的一切。這是愛因斯坦至死都在研究的萬能理論（Theory Of Everything，TOE），可以被稱為是物理學的桂冠。
張首晟教授表示，找到萬能理論也是他的夢想。「我差點要離開理論物理，後來想到這個夢想之後就沒有。」
至今，量子物理與廣義相對論間的不相容依然沒有得到解答。對此，秉承找到萬能理論的張首晟也經歷過迷惑，「當時追求這個夢想基本是在粒子物理和高能物理領域，但是高能物理和粒子物理做實驗就越來越難。」
投身凝聚態物理後，張首晟並沒有忘記自己的初心，他將愛因斯坦的夢想延續進自己研究凝聚態物理的風格中。
上帝粒子被發現花費了六十多年，引力波被發現耗時一百年，而張首晟及其團隊在提出實驗模型七年後便驗證了實驗結果，對此，張首晟認為自己非常幸運。
天使粒子已被發現，對萬能理論的探索卻遠未終結。接下來，張首晟的下一個目標是發現磁單極，同列神秘粒子表單的磁單極至今未被人類發現，留給人類的宇宙之謎還有很多。
