天使粒子送上，2020年科普第一课如何进行科学质疑，收好

　　科学发展到今天，没有哪个领域像物理学这么热闹，除了那些顶级刊物上发表的重磅论文给我们送上一个又一个盛宴之外，就是在大众媒体上很多科学爱好者们的喧闹和吵嚷，民科们动辄拳打＂相对论＂、脚踢＂量子力学＂，创建＂宇宙大一统理论＂，上演了一出又一出的＂闹剧＂。2020年新年伊始，顶级科学期刊领头羊三剑客之一的《Science》抛出了一个重磅炸弹：天使粒子消失了。
　　关于＂天使粒子＂是不是就此真的消失了不是本文研究的重点，这里想跟大家聊聊的是由＂天使粒子＂引发的关于物理学的研究方法的讨论。现代物理学的一些事件导致了物理学家们对数学的膜拜，从而让一部分物理学家离现实越来越远。
　　一、用方程预言粒子
　　提到狄拉克，只要是对物理感兴趣的人都知道他所预言的反粒子。1928年，狄拉克跟爱因斯坦一样，都想统一相对论和量子力学，在推导公式的过程中，他发现有一个地方要开平方。我们知道，开平方之后会出现正负两个根，这两个根在很多时候都有对应的物理意义，比如加速度，可以是加速也可以是减速；能量可以是增加也可以是减少。
　　但如果这个符号对应着一个粒子呢？在很多物理学家看来，如果这个符号对应着一个实验观察中从来没有观测到的粒子，那么这个粒子就是不存在的。从物理学的发展历史上看，在这之前，数学一直都是一个辅助性的工具，而不是一个可以预言的工具。
　　但狄拉克不这么认为，他根据方程开平方后出现的两个根做了一个非常大胆的预言，就如同宏观世界中存在对立面一样，微观世界也应该如此，正负解的出现意味着粒子必然有反粒子。后来的实验证实了狄拉克的预言，人们找到了粒子的反粒子，比如电子的反粒子正电子。
　　1937年，物理学家埃托雷·马约拉发表了一篇论文，论文中他用一个方程求出来一个非常有趣的解，这个解所代表的粒子没有反粒子，于是他根据这个方程做出了这种粒子的预言，这就是后来传说中的＂天使粒子＂马约拉纳费米子。
　　二、物理学需要实验验证
　　实验验证是物理学研究的一个传统，如果没有验证，那么科学与巫术就失去了最本质的区别。就像当年狄拉克提出的反粒子一样，在没有从宇宙射线中找到反粒子的时候，狄拉克的反粒子只能是一个假说，不能上升为理论。然而狄拉克是幸运的，反粒子被找到，让狄拉克从美丽的方程中得到的预言变成了伟大的科学发现。
　　＂天使粒子＂的命运也是如此。与狄拉克费米子不同，马约拉纳费米子的反粒子就是它自身。在凝聚态物理学中，马约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于拓扑超导体中，形成遵守非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态，从而使梦寐以求的拓扑量子计算成为可能。因此，探寻马约拉纳费米子成为近年来凝聚态物理学研究的热点。
　　2010 年，著名华人物理学家、斯坦福大学Shou-Cheng Zhang教授团队首次从理论上预言了在量子（反常）霍尔绝缘体与超导体的异质结中可以产生手性马约拉纳费米子，但没有给出具体的实验测量方法。
　　2015年，Shou-Cheng Zhang教授团队提出在量子反常霍尔绝缘体与超导体异质结中的手性马约拉纳费米子可以表现为电学输运测量中的半整数量子化电导平台。
　　2017年，美国加州大学洛杉矶分校K。 Wang教授团队与Shou-Cheng Zhang教授团队、加州大学欧文分校的Jing Xia教授团队合作，在毫米级量子反常霍尔-超导样品的磁畴反转区域＂实验上观测＂到了半整数量子化电导平台，并解释其为手性马约拉纳费米子（ ＂天使粒子＂） 所导致，认为这是量子反常霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的手性马约拉纳费米子实验测量结果，引起巨大轰动。
　　三、＂天使粒子＂争议不断
　　哈弗大学物理学博士王孟源发表文章，认为＂天使粒子＂这个概念＂很明显又是特朗普和马斯克之流做商业吹嘘的手法，利用欧美对基督教的迷信来引诱大众媒体广泛传播，和科学求真求实的精神背道而驰＂。他解释：＂这次的研究是一个凝态物理实验。凝态物理一贯忽略物质是由许许多多个别基本粒子组成，而把它简化为一个背景的模型。＂＂这类所谓的‘天使粒子’，早就被好几个欧美的团队发现过了。＂
　　中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说，这个发现不是基本粒子，而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态，这个态满足中性粒子的要求，即其反态就是自身。
　　近日，美国宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang助理教授、Moses。 H。 W。 Chan教授和Nitin Samarth教授、以及德国维尔兹堡大学 Laurens W。 Molenkamp教授课题组合作，发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致。
　　相关工作以＂Absence of Evidence for Chiral Majorana Modes in Quantum Anomalous Hall-Superconductor Devices＂为题， 于2020年1月3日在《Science 》期刊上以Report 的形式在线发表。
　　这一文章是《Science 》期刊首次发表负面结果的Report。期刊编辑及三位特邀审稿人均给出高度评价，一致认为该工作对消除业内过去几年来在手性马约拉纳费米子实验测量方面存在的疑惑和争议具有重要意义。
　　此外，研究者还通过在量子反常霍尔绝缘体与超导体之间人为添加绝缘层来系统改变其接触电阻大小，也没有观测到2015年理论预测以及2017年实验报道的结果。这些实验结果表明，对＂天使粒子＂的追寻之路并没有想象中容易，唯有一步一步脚踏实地，对实验结果永远持有着审慎态度，才有可能捕捉到真正的＂天使粒子＂。
　　四、＂天使粒子＂争议背后的科学意义
　　关注老郭账号的小伙伴可能会想起我曾经发表过的一篇文章《科学史上的一场百年论战、虽有结果，但未分高下，争论仍在继续》可见，科学的发展史上从来都不缺少争论。
　　这次《Science》上的这篇文章以实验过程和实验数据为依托，强有力地质疑了张首晟团队的研究成果。尽管＂天使粒子＂是否真的存在还需要进一步验证，但这次质疑再次表明了还是有大量的科学家，坚持＂实践是检验真理的唯一标准＂这一科学理念。
　　近期，我写了多篇文章，都是在反复强调科学与巫术的根本区别就在于验证。这种验证不是基于简单的表面现象的验证，还要包括发生的现象与发生现象的物质之间内在的因果关系。
　　数学方程能做出的推论能否成为一个伟大的科学发现，离不开实验物理学家的客观验证。这也提醒着我们，数学并非是万能的，不能把数学推导直接作为可以信任的结果。
　　就像我在有些文章里面写到我反对如今的超弦理论所提出的那些多重宇宙、多维空间的说法，就是基于这个道理，在没有经过实践的检验之前，这些都只是一个猜想。就像上帝一样，虽然不能说他就没有，但又如何就可以说他有呢？
　　数学方程的滥用，必然导致科学陷入巫术思维，这是科学的灾难，也是人类的灾难。
　　结束语
　　《Science》首次发表的这篇负面文章，质疑＂天使粒子＂，除了可以给那些物理学家继续研究提供科学的参考，同时也是在给我们这些吃瓜群众上了一堂深刻的科学思维课。从客观实践中来，再回到客观实践中去，这是一条颠扑不破的科学准则。
　　醒醒吧，那些认为科学缺少质疑、相信科学等于迷信科学、胡思乱想也能创造颠覆宇宙理论的＂民科＂。该怎么做？《Science》这篇论文已经给我们打了样。
　　科学需要真正的勇士，但科学不需要愚蠢的莽夫。                                科学的历程                        ￥103.67                                                                购买