《享受美好生活,与京尚纯陶瓷养生锅一起迎接一年的美好》
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准备好鸽子、茶树菇、黑木耳,黄酒、桂皮、八角、香叶 、干玫瑰花、 金银花、 酱油 、盐、冰糖等适量,将鸽子清洗干净放入锅中焯水一下,准备好京尚纯陶瓷养生锅热锅冷油,加入桂皮,香叶和八角煸炒出香味,然后加入料酒,酱油和盐,放入鸽子,干玫瑰花和金银花,大火煮开后小火煲一个小时,再放入事先浸泡好的茶树菇和黑木耳和一小块冰糖再煲半个小时即可!

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《一年遇见的美好,就是享受有京尚纯陶瓷养生锅的美好》
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你听说过马约拉纳费米子吗?你听说过更神奇的双重态费米子吗? | 欧阳瑞文
原创 袁岚峰 风云之声 2024-01-07 20:02 发表于北京
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■ 导言

费米子是宇宙中最基本的一类粒子。例如,电子、中子和质子都是典型的费米子,它们可以通过排列组合,形成原子和分子等多层次的物质结构。在自然界中,除尚未确定的中微子之外,目前所有已知的有质量的费米子都以狄拉克费米子的形式存在。然而,有关费米子的理论还预言了费米子可能有其他的存在形式,如马约拉纳费米子。由于它们独特的统计性质,这些新型的费米子一经发现,将会是物理学领域的重大进展,影响深远。其中,寻找马约拉纳费米子的研究已经持续了80余年,物理学家们或许已经离答案相当接近了,但相关的争议仍在继续。而最近,理论物理学家们重新开始关注起了另一种费米子的可能存在形式——双重态费米子,这种尚待发现的粒子或许是宇宙中暗物质的候选者之一。
费米子(fermion)是一群粒子的总称,它得名于20世纪的物理学巨匠恩里科·费米(Enrico Fermi,1901—1954)。费米子是组成我们生活的这个宇宙的基本元素之一。例如,作为费米子之一的夸克,通过强相互作用即核力,形成了质子和中子,进而组成原子核。而同样作为费米子的代表的电子则通过电磁相互作用,与带正电的原子核形成稳定的中性原子结构,进一步形成了各种化学元素。正是这种微观层面的如同搭积木一般的有序组织,使得物质在宏观尺度上表现出稳定和可预测的性质。
图片图:各种费米子(夸克、质子、中子、电子)等有序组合成宏观的固体

对费米子的研究已经进行了将近一百年,但仍然有许多奥秘尚未解开。二十世纪初,物理学家们发现所有的费米子必须携带大小为半整数的自旋图片。为了描述高速运动的费米子,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac,1902—1984)于1928年提出了一种同时包含了相对论和量子力学原理的方程——狄拉克方程,而能被其准确描述的粒子现在被称为狄拉克费米子。

图片图:恩里科·费米(左);保罗·狄拉克(中);卡尔·安德森(右)
通过将相对论与量子力学结合,狄拉克方程巧妙地捕捉到了费米子的自旋这一奇异属性。在狄拉克方程中,相对论性的费米子被一个带有四个分量的“旋量”所描述,这四个分量分别代表两个不同的自旋状态和正负能量的粒子。这个独特的分量结构成功地解释了自旋的本质,并预言了很多实验现象。
首先,它将自旋解释为一种相对论性现象,揭示了自旋是一种类似于旋转的内禀动力学性质,并预言了自旋必须取半整数的值。其次,自然界中并不存在具有负能量的粒子,狄拉克方程中出现的两个负能量的分量实际上应该被诠释为携带正能量的反粒子态,所以狄拉克方程预言了反粒子。
1932年,卡尔·安德森(Carl Anderson,1905—1991)在宇宙射线中观察到正电子——一种与电子电荷相反但质量和自旋都相同的粒子。这种除了电荷相反之外其余性质与原粒子完全相同的粒子就是反粒子,而它们正由狄拉克方程中那两个具有负能量的分量所描述。
图片图:物质粒子和反物质粒子,左边是正常的氢原子,由带正电的质子和带负电的电子组成;右边是反氢原子,由带负电的反质子和带正电的正电子组成。
而就在科学家们惊叹于狄拉克方程对于电子和正电子的精准预测之时,费米的学生埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana,1906—1938?问号的意思是这一年马约拉纳在坐船旅行时失踪,直到现在我们也不知道他到哪里去了,甚至有人猜测他被外星人接走了)开始思考,若是存在一种电中性的费米子,由于它的电荷是0,而0的相反数还是0,那这会不会意味着它的反粒子看起来跟它自己一模一样?1937年,马约拉纳发表论文,从狄拉克方程出发进行推导,预言了一种全新的费米子,其反粒子与自身完全相同,并得到了它所满足的运动方程——马约拉纳方程。这种自己就是自己的反粒子的粒子后来被命名为马约拉纳费米子,而与之相异的狄拉克费米子则专指反粒子与自身不同的费米子。马约拉纳费米子具有独特的对称性,突破了我们此前对粒子性质的传统认知。
图片左图:埃托雷·马约拉纳;右图:狄拉克费米子——反粒子与自身不同的费米子(上)和马约拉纳费米子——反粒子和自身完全相同的费米子(下)。
目前,除了自身性质尚未完全明确的中微子以外,在描述存在于自然界中的基本粒子及其相互作用的物理理论“标准模型”之中,所有的费米子都被确认为狄拉克费米子。然而,是不是再也没有其他种类的费米子呢?这可不一定。近百年来,寻找费米子其他存在形式的尝试从未中断过。尤其是对于马约拉纳费米子的理论研究和实验探索,至今仍然是物理学中最为炙热的话题之一。
根据马约拉纳费米子的定义,如果它存在,它必须是完全的中性粒子——它不仅不携带电荷,也不会感受到除了引力之外的任何其他形式的作用力,包括强相互作用和弱相互作用。因此,像中子这种参与强相互作用的费米子,抑或是标准模型中参与弱相互作用的左手性中微子,都不可能是马约拉纳费米子。
不过,有关于超标准模型的研究指出,在极高能量的背景下,右手性中微子(如果它们存在的话)很有可能就是一种马约拉纳费米子。时至今日,关于中微子究竟是马约拉纳费米子还是狄拉克费米子的争论仍在继续,我们也迫切需要更多的实验证据来验证中微子究竟属于哪种费米子。
你可能听说过,近年来有不少报道说观察到了马约拉纳费米子,这是怎么回事呢?其实这是另一种意义的粒子,即不是粒子物理中讨论的不可分割的基本粒子(fundamental particle),而是凝聚态物理中的准粒子(quasiparticle)。准粒子指的是一种多粒子的集体运动模式,例如晶格振动的各种模式就经常被称为声子(phonon)。因此,虽然马约拉纳费米子的基本粒子尚未发现,说不定永远都发现不了,但这并不妨碍在凝聚态体系中寻找马约拉纳费米子的准粒子。
例如2017年,著名华裔物理学家张首晟(1963—2018)就和合作者们宣称在超导量子反常霍尔效应平台系统中找到了马约拉纳准粒子存在的确凿证据[1],并将之命名为“天使粒子”,引起舆论轰动。不过后来发现这个证据不是那么确凿,2022年11月,这篇文章被《Science》杂志撤稿。因此,现在仍然不能确定凝聚态体系里有没有马约拉纳费米子。但我们需要说明一下,即使这项具体的实验工作尚未达到宣称发现的置信程度,也不意味着寻找马约拉纳费米子的理论方案错误,在未来研究者们仍然会持续不断地探索。
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图:华裔物理学家张首晟

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图:在凝聚态系统中寻找马约拉纳准粒子(图源:Science [2])

如果你知道费米子,你的知识水平就超过了99%的人。如果你知道马约拉纳费米子,你的知识水平就超过了99.9%的人。下面我们来讨论一个更深入的问题,你如果知道它,你的知识水平就超过了99.99%的人。这个问题是:除了狄拉克费米子和马约拉纳费米子之外,自然界中还有没有可能有第三种费米子?
回答是:在理论上,真的有。1964年,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner,1902—1995)提出了一个少为人知的费米子理论[3]。少到什么程度呢?即使是学过量子力学的人,大多数也没听说过这个理论,——但这正是维格纳的厉害之处。通过数学推导,维格纳提出了一种新型的费米子,它除了有自旋自由度图片,还有另外一个自由度图片。由于该自由度是维格纳提出的,我们把它称为“维格纳简并性”。好吧,听起来好像是循环论证……但不管它,当我们把这两种自由度组合在一起,就会发现这种费米子总共有四个自由度:
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这些费米子所具有的图片的自由度,实际上来自维格纳发现的一类更广泛的宇称和时间反演对称性。但至于图片在相互作用中扮演什么样的角色,还需要进一步的探索。
由于这种费米子的自由度是狄拉克费米子的两倍,它们被命名为“双重态费米子”。虽然维格纳提出了双重态费米子,但他并没有进一步探索它们的性质。在之后的岁月里,这项工作虽然没有被遗忘,但也没有得到太多的关注。例如著名物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg,1933—2021)就曾在他的著作《量子场论》(第一卷)的附录2C里写到:
“在已知的粒子中,没有一个构成了反演的非常规表示,所以这些可能性不在这里进一步讨论。”[4]
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图:(左)尤金·维格纳。(右)史蒂文·温伯格。

我们现在为什么要关注双重态费米子呢?因为虽然温伯格的说法对自然界中已被观测到的费米子是正确的,但宇宙中还存在暗物质(dark matter),它是一种设想中的只参与引力相互作用、不参与其他任何相互作用的物质。现在普遍的看法是,在可观测宇宙中,普通物质仅占5%,而暗物质占27%。这两者加起来占32%,剩下的68%是比暗物质更神奇的暗能量(dark energy)。目前,还没有人知道暗物质是什么粒子,但提出了很多种候选者。所以,双重态费米子可能描述了一种尚未被发现的全新粒子,它说不定就是暗物质。
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图:现今的宇宙质能分布图

2022年,维格纳的工作重新得到了一些理论物理学家的关注[5]。最新的研究表明,双重态费米子遵循的自旋统计规律不同于狄拉克费米子和马约拉纳费米子,因此可能会以某种独特的形式出现。虽然我们还不知道双重态费米子是否存在,但这些纯理论工作或许意味着,物理学界长期的共识“有质量半自旋粒子必须是狄拉克或马约拉纳费米子”将不再成立。
在这广袤而神秘的科学领域中,这些奇特的费米子或许将成为不同寻常的璀璨之星,为我们揭开宇宙更深层次的奥秘。
参考文献:

[1] Qing Lin He et al., RETRACTED: Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure. Science 357, 294-299 (2017).

[2] Ali Yazdani et al., Hunting for Majoranas. Science 380, eade0850 (2023).

[3] E. P. Wigner, Group theoretical concepts and methods in elementary particle physics, pp. 37-80, Gordon and Breach, 1964.

[4] Steven Weinberg, The Quantum Theory of Fields. Vol. 1: Foundations, Cambridge University Press, 1995.

[5] Dharam Vir Ahluwalia, Julio M. Hoff da Silva, Cheng-Yang Lee, Nuclear Physics B 987, (2023) 116092.

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■ 扩展阅读

一对竞争的科学理论:暗物质与修改引力理论 | 返朴

室温超导可能存在吗?其实高温超导的机理问题还未解决 | 陈仙辉
杨振宁谈费米:他永远脚踏实地 | 返朴

■ 作者简介

欧阳瑞文
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2023年爱沙尼亚国家科学院高能物理和计算物理研究中心(NICPB, Tallinn) 理论物理博士,2018年获吉林大学唐敖庆理科试验班(物理方向)理学学士。2024年即将进入国科大杭州高等研究院从事博士后研究,主要研究方向为粒子物理唯象学与大统一场论方面的理论研究。


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