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馬約拉納費米子的偵測:解開了糾纏物理學80年的謎團——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/08/21 ・2663字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級
  • 作者/甘魯生 教授

2017 年 7 月在物理的研究與發現上有了重大的進展: 由台裔教授王康隆博士領軍的 UCLA 研究團隊,偵測到了馬約拉納費米子(Majorana  Fermion)。解答了物理 80 年來的一個懸念,證實了一個匪夷所思的觀念,給將來可能的應用帶來了無窮的遐思和希望。王康隆教授表示:

「最重要的就是推進量子電腦的發展,現在有的電腦是線性、序列性的計算,但量子電腦是可以同步執行,因此又稱為『糾纏式的演算法』,所以計算速度會更快!」[註一]

那是一個什麼觀念呢?我們必須把時空拉回 89 年前起。1928 年英國理論物理學家保羅.狄拉克(Paul Dirac)(1933 年諾貝爾物理獎得主)利用 Dirac formula 成功解釋了費米子的性質,並預測有反物質的存在。在宇宙之中物質—反物質會一對對存在且物質和反物質的特性是一模一樣唯一的差別只有電荷是相反的。比如說:電子是物質,帶有一個負電荷;那麼它的反物質就帶一個正電荷。果不其然卡爾.戴維.安德森 (Carl David Anderson) 在 1932 年發現了正子,之後很多夸克的反物質陸續也被發現。這一觀念很快被人們所接受並牢牢記住:正和反物質必須由二個粒子才算完整。

英國理論物理學家埃托雷.馬約拉納(1933年諾貝爾物理獎得主)利用Dirac formula成功解釋了費米子的性質。圖/Pinterest

埃托雷.馬約拉納(Ettore Majorana )是一位義大利的理論物理學家,他在 1937 年預測了有一種費米粒子是正反粒子的合體,它不含電荷,被稱為「馬約拉納費米子」。截至上個月為止,馬約拉納費米子(即正反物質在同一粒子上),這想法仍未獲得實驗上的驗證。然而在 2017 年 7 月 20 日美國科學(Science)刊登了王康隆教授及其研究團隊研究成果,解決了馬約拉納費米子在基礎物理學延續 80 年來一大問題並提出了在應用上的價值。

王康隆(中)帶領兩位學生與研究團隊負責大部分的論文撰寫、修改工作。左、右學生為何慶林、潘磊。(註一)

近來,許多報導沸沸揚揚的討論著這項物理學上的突破及成就能不能得諾貝爾物理獎?王康隆教授說:「從來沒想過!我是做科學研究的人,而做科學的人不會想這個問題,想的只有好好把實驗做好。我認為諾貝爾物理獎是一個機遇,每天想拿獎不好,就不是一個做學問的態度了!就不是為了做物理,而是為了得獎去做!」[註二]

王康隆教授上面的一席話,表現出學者該有的高度與看法:「不為獎而獎,但能得獎也不必太謙虛!」回過頭來看看與基本粒子有關的諾貝爾物理獎歷史,

  • 發現電子的約瑟夫.湯姆森(Joseph John Thomsom)得到了1906年諾貝爾物理獎。
  • 發現上述正子的卡爾.戴維.安德森( Carl David Anderson) 得到了 1936 年諾貝爾物理獎。
  • 預言有介子存在的湯川秀樹得到 1949 年諾貝爾物理獎。
  • 發現 J 粒子的丁肇中得到 1976 年諾貝爾物理獎。
  • 這世紀以來還有預言三大類夸克(three families of quarks)的小林誠和益川敏英得到了 2008 年諾貝爾物理獎。
  • 2015 年瑞典皇家將諾貝爾物理獎証明微中子(Neutrino)有質量(因為它能震盪)的梶田隆章。

以上林林總總的獲獎紀錄可見基本粒子的預測和證實簡直就是諾貝爾物理獎的加工廠嘛!那麼預言有馬約拉納費米子的埃托雷.馬約拉納(Ettore Majorana)有沒有得獎?答案是:沒有!

物理天才埃托雷.馬約拉納(Ettore Majorana)預言有馬約拉納費米子的存在!然而他在1938 年 3 月在一次乘船旅行途中神秘失蹤了!雖有各種猜想他到那去了,但至今無解。圖/kknews

埃托雷.馬約拉納(Ettore Majorana)這位被恩里科.費米(Enrico Fermi )讚許和伽利略和牛頓同級的天才人物竟然沒得諾貝爾獎?這必須要話說從頭,首先埃托雷.馬約拉納(Ettore Majorana)在 1937 年出版的論文[1],是以義大利文寫的研究論文。語言的問題,對於論文的傳播有很大的影響;另外一個意想不到的事,他在 1938 年 3 月在一次乘船旅行途中神秘失蹤了!雖有各種猜想他到那去了,但至今無解。當時他才 32 歲(1906-1938)。儘管他生命短促,但仍有得諾貝爾的機會。

1932 年伊雷娜.約里奧.居禮(Irène Joliot-Curie)和弗雷德里克.約里奧.居禮(Frédéric Joliot)發現一未知的粒子存在,但他們解釋為伽瑪射線。因為在高能物理中質和能可以互相轉換;但馬約拉納認為是一中性而且質量和質子相近的粒子才能解釋 Irène Joliot-Curie 和 Frédéric Joliot 的結果。這粒子就是後來被稱為中子的粒子。當時,費米要馬約拉納趕快將他的解釋寫成論文,但馬約拉納卻不想這麼做。反倒被詹姆斯.查兌克(James Chadwick)接手並證實為真,因此詹姆斯.查兌克得到了 1935年諾貝爾物理獎。所以說人的命運是性格的產物!

理論學家利用豐富的知識和嚴謹的邏輯做出驚世的推論固然是一件了不得的成就,但真實與否須實驗的驗証!王康隆教授的實驗設計是將一片超導體和一片磁性拓樸絕緣體(magnetic topological insulator)結合在一起;並在在二片之間加入磁性物質,並放入可變動的磁場中,變動的磁場使得電子在超導二側呈相反方向運動,電子流動速度變慢或停止,也可改變方向。

透過可變動磁場的掃描,王康隆教授的團隊觀察到馬約拉納費米子特殊的量子訊號出現,証實了馬約拉納費米子的存在。看來非常簡單的實驗,但做起來非常艱幸。最困難的部分就是生長單晶層材料和在低溫高磁場下測量數據。再聽聽王康隆教授怎麼說:「這次發現馬約拉納費米子的過程中最困難的就是單晶層的生長!我們用了十幾年的時間從事於分子束磊晶的工作(molecular beam epitaxy),把這個材料優化到現在的程度才有辦法做這個實驗。其他還有困難的地方就是得到這材料測試之後如何分析?材料上分析也是很重要的過程,我們花了很多時間才把結果分析出來。」[註三]

十多年嘔心瀝血的研究,現終有所成。

馬約拉納費米子。圖/KeywordSuggest.org

參考資料


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


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今年夏天絕不能錯過——「搞笑諾貝爾獎世界展」首度登台!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/05/17 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘

你一定知道諾貝爾獎,但你知道世界上竟然還有搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)嗎?搞笑諾貝爾獎是對諾貝爾獎的有趣模仿,甚至還會邀請真正的諾貝爾獎得主來參加!

搞笑諾貝爾獎由美國的科學雜誌《不可思議研究年報》的主編馬克·亞伯拉罕斯發起,每一屆都號稱「第一屆」,每次都會頒發十座獎盃給各領域中「無法被複製」或「荒唐到不應該再來一次」的研究者,頒獎要旨是希望讓大家能夠"先大笑,再思考"。臺灣也有多位學者共襄盛舉,並曾六度獲獎,臺灣立法院更曾拿下和平獎,其中原因竟然是因為他們以打架替代戰爭!典禮現場更是充滿歡笑,讓人佩服科學家怎麼一本搞笑做研究!

搞笑諾貝爾獎頒獎現場超搞怪!

  • 量身打造獎盃,每年都以當年獲獎的研究為靈感,製作不同主題的獎盃!
  • 不值錢獎金,得獎者會獲得比壁紙還不值錢的高額辛巴威幣作為獎金。
  • 甜便便小姐,得獎者只有 60 秒的時間能發表感言,只要一超時,年幼的「甜便便小姐」就會大叫:「請停下來吧!煩死人了!」直到得獎者下台。
  • 全場亂飛的紙飛機,頒獎典禮中會安排一名背著一個紅色靶心的人,讓台下觀眾將手中紙飛機射向台上的靶心。
2009 年的得獎者們。

今年夏天搞笑諾貝爾獎世界展將首次登台!廢到笑的研究與發人省思的成果,一次集結歷屆讓人目瞪口呆的得獎研究及五大互動體驗,讓你一本正經的捧腹大笑!展區內充滿更多腦洞無極限的幽默科學得獎,一定要揪朋友一起來漲知識。

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ㄎㄧㄤ到爆獎項搶先看

搞笑諾貝爾獎世界展將集結眾多搞笑諾貝爾獎的獲獎研究,其中有許多讓人會心一笑的內容,像是鴿子也懂藝術?日本學者就曾做過實驗,證明鴿子可以分得出畢卡索和莫內的畫;在野外遇到熊怎麼辦?只要穿上防熊裝就不用怕;指甲刮黑板的聲音經研究證實為世界上最讓人痛苦的聲音!

曾有科學家發明出可迅速變身防毒口罩的胸罩,並成功獲得搞笑諾貝爾獎的公共衛生獎,其發明聽起來很荒謬,但背後原因是胸罩是會隨身穿戴的物品,能夠在緊急時刻變成防毒口罩保護他人,符合了搞笑諾貝爾獎頒獎要旨「先大笑,再思考」,另外還曾有一年的「獸醫學獎」頒給發現幫乳牛取名字,就能夠增加產乳量的專家學者!以及最經典的貓貓是液體嗎?也都存在於搞笑諾貝爾獎的得獎研究裡!

  1. 鴿子也懂藝術?|連鴿子都分得出畢卡索和莫內的畫!
  2. 野外遇到熊了怎麼辦?|穿上防熊裝,再也不怕!
  3. 動物也吃重口味!?|綠頭鴨也有戀屍癖!?
  4. 用「屁」交流!|看看鲱魚怎麼用放「屁」溝通!
  5. 逃跑鬧鐘|還想賴床按鬧鐘嗎?鬧鐘本人跑起來給你追!
  6. 最討厭的聲音!|指甲刮黑板太邪惡了!
  7. 如何增加乳牛的產乳量?|不妨給牠取個名字吧!
  8. 胸罩變口罩|在突發的緊急狀況時胸罩變防護口罩!?  
  9. 恐龍走路長甚麼樣子?|在雞的屁股裝上一根棒子就知道!
  10. 貓是液體嗎?|喵星人的貓體力學大解密!

五大互動體驗,只有實驗了才知道

展區現場將規劃五種關於搞笑諾貝爾獎得獎研究的實際互動體驗,讓你能夠化身為小小研究學者,一起來實際試試看、探討世界上經典的搞笑研究!

  1. 吐司永遠是塗奶油的那面先落地嗎?
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  4. 活性碳內褲過濾屁味?沒有比較沒有傷害
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 圖/歷屆得獎者授獎畫面
圖/日本展出現場照

展覽資訊

  • 展覽名稱:搞笑諾貝爾獎世界展
  • 展覽日期:2022 年 6 月 25 日(六)至 2022 年 9 月 11 日(日)
  • 展覽地點:國立臺灣科學教育館 七樓南側特展區(臺北市士林區士商路 189 號)
  • 展覽時間:平日9:00-17:00/週末、國定假日、暑假 9:00-18:00
    (閉展前 30 分鐘停止售票及入場)
  • 休展日:6/27(一)、9/5(一)
  • 主辦單位:寬宏藝術經紀股份有限公司、三貝多股份有限公司
  • 企劃單位:株式会社ドリームスタジオ(Dream Studio Company)
  • 授權單位:IMPROBABLE RESEARCH, INC.

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