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僑報專訪:天使粒子VS馬約拉納費米子 背后的故事

http://news.sina.com   2017年08月11日 16:34   僑報

  【僑報網綜合報導】近日,一個特大新聞引爆了中文媒體:美國華人科學家發現了“天使粒子”,拿諾貝爾獎已是早晚的事。不久之后,即有人站出來指出這一成果有炒作之嫌。

  為此僑報記者採訪了參與這項研究的兩位教授——加州大學洛杉磯分校教授王康隆和斯坦福大學教授張首晟。

  “天使粒子”是怎樣煉成的?——僑報記者章寧採訪王康隆教授

  針對媒體的大肆炒作, 與此事有關的加州大學洛杉磯分校教授王康隆向《僑報》記者披露了這項研究的內幕,並且直言,無論是粒子名稱,還是粒子發現之后的媒體宣傳,均偏離了科學研究的精神。

  另外,一些了解有關研究的學者也對媒體的報導提出質疑,認為所謂發現“天使粒子”有吹噓、炒作之嫌。

  王康隆(右三)與他的馬約拉納費米子研究團隊的幾位博士、博士后學生在實驗室合影。右二為論文第一主筆、左三為第二主筆、左一為第三主筆,左二為第四主筆。(僑報記者章寧攝)

  研究主導人揭秘 “天使粒子”純屬炒作

  最近,華人科學家發現“天使粒子”的新聞被媒體炒得熱火朝天,並且引起了科學界的爭議。主導有關項目的加州大學洛杉磯分校(UCLA)教授王康隆(Kang L. Wang)指出,無論是粒子名稱, 還是粒子發現之后的媒體宣傳,均偏離了科學研究的精神。

  王康隆首先正名。他说:“什麼‘天使粒子’?完全是商業炒作! 馬約拉納(Majorana fermion)就叫‘馬約拉納’!我們多年來一直在這條路上走,和好幾位學生不斷做科研。我從來沒打算去面對媒體, 更不要说什麼‘諾貝爾’,提都不要提。”可是,為什麼會有“天使粒子”之稱呼呢?既然王康隆沒有主動面對媒體,為什麼他們的科研成果被媒體廣泛報導了?針對記者的疑問,王康隆詳細講述了馬約拉納費米子科研項目的前前后后。

  給量子計算機找穩定保障 開啟研究

  相關科學文獻顯示,1937 年, 義大利人埃托雷·馬約拉納發表論文,假想一種粒子存在,即粒子本身又是其反粒子。該粒子因此被命名為馬約拉納費米子(Majorana fermion)。它是一種物質組成的基礎粒子,不可再分。

  “有理論一直期望找到一種最最基本的粒子,組成萬物的最小單位,”王康隆介紹说。“馬約拉納費米子,打個比喻吧,自然界有陰陽、男女,而這種費米子好像太極, 陰陽結合成一個符號那樣。因為多年來,這種粒子一直沒有被真正發現,所以研究慢慢冷卻。20 多年前, 因為量子計算機的研究,使得這一研究領域再次受到關注。”

  王康隆接著說:“我1980 年開始研究量子計算機。量子計算機存在不穩定性,如一個比特(10) 運行中,往往需要10 個比特進行護衛,保障其穩定性。”因此他把這項研究先擱置一下,轉而開始尋找能保障穩定性的粒子,由此開始走向尋找馬約拉納費米子的方向。

  “物理學其實非常有意思, 不斷尋找解決問題的方法,”王康隆说。“2003 年, 我在UCLA 成立了一個研究中心, 叫FENA ( F u n c t i o n a l E n g i n e e r e d N a n o Architectonics FocusCenter), 在2005 年后,資助了張首晟教授‘量子自旋霍爾效應’的研究。我當時的這一研究計劃和資金分配直接導致了2008 年末拓撲絶緣體的誕生。值得一提的是,賓州大學的Charles Kane 教授2004 年首次在石墨烯上提出了這一概念。在2008 年, Charles Kane 教授和傅亮提出利用拓撲絶緣體和超導體耦合來研究馬約拉納費米子。他們提出這一概念以后,很多相關的理論工作陸續推出,並在這一基礎上改良。”上一頁 1 234下一頁分享此頁面

  好意加局外人署名 不料事情變複雜

  王康隆说,做相關研究的人很多,大家都在努力,希望首先做出新突破。而張首晟教授在2015 年發表相關論文,是對Charles Kane 教授的理論的一個改良。

  他说:“我們團隊也研究了張教授這一理論文章。雖然張教授並未參與我們長達13年的科研工作, 不過我的學生為了表達謝意,徵求我的意見,可否在論文上加上張教授的署名時,我同意了。沒想到一件很簡單、很簡單的事情,到現在被弄得好複雜。”

  “我不可能一個人進行這項研究,”王康隆说“我的學生們和我一起工作,還有許多外圍協助者在幫助。我們不可能有全部試驗設備, 他們提供實驗室給我們。比如,加州大學戴維斯分校的劉凱教授幫我們沉積了超導體薄膜。”

  據他介紹,為了測量,他們在4、5 年的時間裏,几乎每兩個月都跑一趟佛羅里達州,因為那裏有高磁場實驗室,可以對馬約拉納費米子樣品進行測試。

  他说:“一般一呆兩個星期左右,大家經常沒有覺睡,很辛苦。后來發現,我們發現加州大學爾灣分校的夏晶教授也有一台同樣功能的儀器,於是我們得到夏教授的同意之后,我的學生何慶林和潘磊前往夏教授實驗室進行實驗測試。夏教授很好,安排他的學生進行幫助。”

  王康隆说:“研究進行到2014 年,取得了成果。2015 年,我們花了大約1 年的時間寫報告,年底寫完,寄去《科學》雜誌,《科學》雜誌社編輯請專家審核,提出了4 頁問題進行探討,我們於是寫了30 頁的回復,主要是我和學生所寫。然后,他們再提出問題,我們再回復,如此反復4 次之后,終於定稿。”

  他接著說:“大約到2016 年6 月,報告基本定稿,也是這個時候, 張教授開始介入。不過,很奇怪的是,在2017 年4 月,張教授發電子郵件給我,表示要做‘通訊作者’ (correspondingauthor)。”

  據王康隆介紹,科學論文的署名有其特定規則,一般指導老師名字放在最后,學生放在前面,這是指導老師對自己學生未來發展的一種支持。論文基本是由最前、最后的人共同完成。至於中間的署名,一般不太重要,而“通訊作者”非常重要。雖然張教授並未實際參與研究,但是王教授還是同意了張教授的要求,把他的名字加入到“通訊作者”中。“其實,一般論文不會有那麼多‘通訊作者’,”王康隆说。

  把研究成果用於量子計算機 目前仍太遙遠

  這就是馬約拉納費米子研究的大致經過。至於為什麼馬約拉納費米子變成了“天使粒子”,媒體有各種宣傳。

  王康隆稱,他並未真正面對過媒體,也不想那樣,研究還在繼續,還有很多事情要做。

  至於说,把這個研究成果運用於量子計算機,王康隆認為,那是“太遙遠的事情了”。他说:“我們只是朝着一個方向在走。科學就是這樣,一代一代人朝着一個方向曲曲折折地走,有的可能取得突破性進展,有的可能什麼都沒有。不過,無論個人有還是沒有,要靠許多人,一代一代的積累,才使得科學朝着既定的方向不斷前進。”上一頁 1 234下一頁分享此頁面

  “天使粒子”背后另一種風景——僑報記者於麗娜採訪張首晟教授

  全球IT業的心臟就孕育在斯坦福的校園中,而步出斯坦福幾步之遙就是著名的斯坦福大學街(University Ave)。這裏是帕洛阿圖(Palo Alto)最熱鬧大街,有很多咖啡館和餐館。許多硅谷的社交生活都發生在這裏。

  張首晟在辦公室裏接受《僑報》記者的專訪。僑報記者攝

  “丹華資本”辦公室前台。僑報記者於麗娜攝

  你很可能在咖啡館裏遇到社交網站臉書(Facebook)的創始人馬克·扎克伯格,或是在餐廳裏遇到特斯拉汽車創始人伊隆·馬斯克(ElonMusk),但遇到更多的也許是斯坦福的學者、教授亦或是創業者、投資人。濃厚的學術氛圍和世界前沿的高科技技術創新多種因素,使得這裏成為很多遊客的朝聖之地。

  與這條街相交的塔索街(Tasso Street)435 號 ,一座低矮的紅色建築,坐擁斯坦福大街聖殿般神聖美感的迷人風景。最近,這裏受到了媒體廣泛關注,因為斯坦福大學華人科學家張首晟及其他3 位華人科學家領銜的科研團隊發現了正反同體的“天使粒子”—— 馬約拉納費米子(Majorana fermion),使得物理學出現了歷史性的突破。這一重大發現解決了困擾量子物理學80 年的難題,對量子計算具有極其重要的意義。

  8 月7日,《僑報》記者走進這座建築所在的3 層“丹華資本” 辦公室,對張首晟教授進行了專訪。

  里程碑式發現使量子計算成為可能

  中間黃圈即神秘的馬約拉納費米子。網絡圖

  科學界一直在尋找費米子中是否存在馬約拉納所稱的神秘粒子,直到80 年后,“天使粒子”(即Majorana 費米子)被發現。這是繼發現“上帝”粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑式的成果,不僅具有重大的理論意義,而且具有重要的潛在應用價值——讓量子計算成為現實。

  張首晟说:“這是一個物理學界激動人心的時刻 ,就像我們的生活好像存在着的對立面,有陰有陽,有天使有魔鬼。在80 年前, 物理學家提出關於正反粒子的大膽設想使得人類一直在尋找。在2010 到2015 年期間,我與團隊連續發表3 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。”

  说到“神秘粒子”,還要從1928 年物理學家保羅.迪拉克(Paul Dirac)的那個驚人預測说起,他認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,但是帶着正負能量。當它們相遇時會相互煙滅,釋放出一股能量。幾年后,物理學家確實發現了反物質, 即和電子相對的正電子(positron)。

  到了1937年,物理學家埃托雷· 馬約拉納(Ettore Majorana) 做出了更大膽的假設。他認為,費米子(fermions)粒子,即質子、中子、電子、中微子和夸克等,本身即存在反粒子,也就是说它們沒有一個相對的反粒子,它們自身就是自己的反粒子。這致使80 年來科學界一直在尋找費米子中是否存在馬約拉納所稱的神秘粒子。

  7 月21 日,在全世界最權威的學術期刊之一《科學》上,一篇論文宣佈,研究者發現了馬約拉納費米子存在的第一個證據。

  張首晟介紹说:“按照我們的理論建議,加州大學洛杉磯分校(由王康隆教授領銜)、加州大學戴維斯分校(由劉愷教授主持)和加州大學爾灣分校(由夏晶教授主持) 的實驗家團隊與我們斯坦福大學理論團隊密切合作,在理論建議的器件中發現了手性馬約拉納費米子。之所以命名‘天使粒子’,這來源於我讀過的一本小说《天使與惡魔》,這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景,我被這個想法所吸引進而一直在尋找。過去我們認為有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我們找到了一個沒有反粒子的粒子,一個只有天使,沒有魔鬼的完美世界。”

  談到該發現是否會很快進入到應用時,張首晟说:“不一定很快會應用,但是給了我們一個非常好的願景,現在我們人類解決的問題需要優化很多選擇路徑,通常上計算機只能用程序法一個一個試下來,而這個新發現可以使有效的量子計算成為可能。”

  丹華資本幫中國企業提升創新能力

  作為華人科學家,張首晟始終心念故國。2009 年,張首晟入選 “千人計劃”,並被清華大學特聘為教授,一直為祖籍國效力。他的言談間,很自然地提到“我們國家、我們民族”這樣的詞。正因為如此, 2013 年,張首晟和他的學生谷安佳博士共同創辦了“丹華資本”。

  “丹華”兩字有很深的含義。張首晟说:“‘丹華’之名就來自於——‘丹’(斯坦福,又譯作史丹佛)和‘華’(中國)和組合, 意味着連接中美資源這個願景。”

  張首晟不僅僅把“丹華資本” 定位為一支優秀的風險投資基金, 更是為了搭建一個資本和服務的平台,以幫助中國企業集體提升創新能力和産業升級。在談到如何可以一邊做科研、一邊做投資這個問題時,張首晟说:“將兩個看起來平常好像不相關的內容統一起來,也是我認為最高的一種境界。比如说我研究的是拓撲絶緣體,就是把高深的數學概念和一個非常現實的材料學概念統一起來,這讓我感覺是人生的最大樂趣。中國現在是一個非常激動人心的時代,我們已經走出了從生産為主,現在進入創新為主,國家政府也提出雙創的概念,但是在這個核心中最主要的是看準一個方面,到底從哪個方向走,在這個雙創的時代,我用我的經驗、用科學的精神來做投資也會給科學帶來榮耀。‘丹華資本’在短短3年內發展到今天的規模,在整個硅谷投資歷史上也是創了紀錄。”上一頁 1 234下一頁分享此頁面

  深受恩師影響 探尋過程中充滿樂趣和好奇心

  2004年,楊振寧與張首晟在清華大學楊振寧“歸根居”合影。網絡圖

  對於張首晟的成就,其導師楊振寧曾说:“他獲得諾貝爾獎只是時間問題。”

  其實,早在幾年前,張首晟就已經被視為諾貝爾物理學奬獲得者的熱門人選。盡管最后與之失之交臂,但是諾貝爾獎得主楊振寧堅信,他的這位愛徒會是下一個諾貝爾物理學奬的獲得者。

  在2015年美國國家科學院公佈的新增院士名單中,張首晟成為當選的7 位華裔之一。同時,他也是美國人文與科學院(又譯為美國藝術與科學院)和中國科學院的院士。因為對拓撲絶緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究,這位斯坦福最年輕的終身教授還和科學巨匠愛因斯坦、居里夫人、愛迪生等一樣獲得了富蘭克林獎章。

  迄今為止,張首晟已經拿到諾貝爾獎之外的几乎全部物理學奬。談到對諾奬的期待時,張首盛说:“諾貝爾獎是可遇不可求的,它表彰在物理學作出最傑出的貢獻的人士,同時在評選中也有很嚴格的篩選,愛因斯坦等了18 年才獲得諾奬。對於我來说,從事物理學研究, 諾奬並不是我的終極目標,我認為當我懷着好奇的心去探尋未知事物時,就好像經歷一場冒險,在這個探險過程充滿着樂趣,這也是我對科學追求最大的驅動力。”

  今年4 月,張首晟曾回國去探望恩師楊振寧。他在微信朋友圈裏上傳了一張和楊振寧教授的合影, 他寫道:“今天在清華園看望楊振寧先生,老人家今年95 歲大壽,神采奕奕談笑如生!師生情誼地久天長!”

  這番肺腑之言表達了張首晟對這份師生情誼的珍惜。他说:“楊振寧對我影響非常大,當年他的一課堂給我印象深刻。他講了科學裏關於‘美’的看法,讓我感覺到科學不僅是追求‘真’的過程,而且具有探尋‘美’的意境。在我們人生的路上會遇到很多選擇,最終選擇一些美麗的思想去探索,這也是楊振寧所給予我的啓發。從此以后我在科學探險的路上,使我始終追求這種最高境界的美。”

  盡管在外人看來,張首晟的經歷可謂“順風順水”。但是,談到在德國求學的時光時,他也有過一段迷惘的心路歷程,他说:“1981 年在德國留學,當時非常地困惑, 重要的問題是考慮未來就業的問題,感覺找不到人生的出路。當我環游德國到了哥廷根時,當時的同學帶我去學校旁邊的一片墓地,那些偉大的物理學家和數學家就埋葬於此。他們的墓碑簡單而平凡,上面刻着他們的名字、出生年月。但是,與衆不同的是,他們的墓碑上面都有一個公式,這給我留下了深刻的印象,可以说他們一生的最高成都濃縮在這個公式裏。這使得我心靈受到震撼,人要追求永生不需要多少功名利祿,一個簡單的公式,它卻可能永遠改變了人類文明進程,並被人們永遠記住。”

  記者曾經在斯坦福裏聽過張首晟的一次講座,他談到“大道至簡”, 说愛因斯坦質能方程E = mc2 小到微觀粒子、大到宏觀宇宙都適用。

  張首晟说:“是的,這是一個非常簡單的公式,又是一個大道理, 事實上我認為不論是科學的境界, 還是藝術和文學這些都是相通的。就像我們寫一首詩是為了用非常簡單的語言寫一個非常複雜的心情,比如‘舉頭望明月,低頭思故鄉’, 簡單的幾句話,表現對故鄉的一種思念,所以说人類最偉大的發現和人類的文明都是有一個共性,在這一點上我們國家、我們民族的祖先早就已經認識到的一點。”

  張首晟说,他打算寫書分享他的理念、觀點和經驗。僑報記者於麗娜攝

  得益人文教育 樂於分享科研投資理念和經驗

  如今的張首晟,身份遠遠不止科學家、投資家,還是企業家、教育家...... 未來他還會有一個身份:作家。

  張首晟说:“我非常享受當下的生活,甚至簡直不可思議,為什麼人生可以有那麼美滿?在教育方面,可謂是‘桃裏滿天下’,美國所有名牌大學都有我的學生。在家庭方面,我的兩個孩子也非常優秀。不論是在科學研究的探險道路上的冒險,還是在做企業、做投資上的經驗,我都希望可以分享給大家。學習是一件終生不止的事情,用好奇心成為學習的動力你會享受這些過程。就像在我小的時候,經常在自己家裏的閣樓上面讀書,都是一些關於歐洲哲學史、歐洲藝術史之類的書籍。雖然我的父親是學工程專業的,但是我的伯父們都是學習人文的,而他們留下的書都是關於哲學、藝術、美術之類的,所以我的啟蒙教育反而是在人文科學方面。其實直到現在,我還是對這些人文的東西非常感興趣。所以,未來在我的這本書裏,我將分享我的理念和觀點和經驗等等,或許可以使更多的人從中得到啓發。”

  在“2016 年度華人經濟人物” 盛典獲獎后,張首晟在朋友圈寫下了一段留言:

  “一個偉大的時代要有偉大的跨界,文藝復興造就了達文西藝術與科學的跨界,啟蒙時代創造了法蘭克林科學與企業與治國的跨界,用科學指導投資的跨界是我們時代的召喚,願中華民族的偉大復興也造就文藝的復興,科學的復興—— 張首晟!”

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