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？

合集 · 解读科技问题 (79)

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什么是费米子？其实它是一群粒子的总称。所有的微观粒子分为两类，玻色子（boson）和费米子（fermion），分别得名于印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894 — 1974）和意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901 — 1954）。
	我们可以在常见的粒子中举一些例子，光子和引力子属于玻色子，而质子、中子、电子属于费米子。其实质子和中子不是基本粒子，它们都是由夸克组成的，而夸克也属于费米子。学过量子力学的人知道，玻色子跟费米子的基本区别在于它们的自旋。玻色子的自旋总是整数，而费米子的自旋总是半整数。
	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。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相对论和量子力学原理的方程——狄拉克方程。能被其准确描述的粒子称为狄拉克费米子，目前所有已知的费米子都属于狄拉克费米子。
	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个奇异属性。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”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，并预言了费米子的自旋必须取半整数的值。其次，狄拉克方程中出现的两个负能量的分量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了正电子——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。
	就在科学家们惊叹于狄拉克方程对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）开始思考，如果存在一种电中性的费米子，它的电荷是0，而0的相反数还是0，这会不会意味着它的反粒子跟它自己一模一样？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。
	顺便介绍一下，马约拉纳的生卒年是：1906 — 1938？问号的意思是，这一年他在坐船旅行时失踪了！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。这是现代科学史上最大的悬案之一。
	目前，除了自身性质尚未完全明确的中微子以外，在粒子物理目前的标准理论即所谓“标准模型”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。