粒子—準(zhǔn)粒子的相對(duì)性原理：張首晟就手性馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)答網(wǎng)友問

? 斯坦福大學(xué)教授,、清華大學(xué)教授張首晟,。本人供圖。

手性馬約拉納費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)（Science 357, 294 (2017)）引起了廣泛的公眾興趣,，同時(shí)也引出了一些科學(xué)問題,。理論預(yù)言與科學(xué)實(shí)驗(yàn)使得科學(xué)進(jìn)步; 同樣, 科學(xué)討論與客觀辯論也能使真理越辯越明。因此,，我回答一些科學(xué)問題,。

粒子—準(zhǔn)粒子的相對(duì)性原理：愛因斯坦的狹義相對(duì)論表明時(shí)間不是絕對(duì)的；兩個(gè)觀察者觀察兩個(gè)事件之間的時(shí)間差取決于他們之間的相對(duì)速度,。類似地,，粒子與準(zhǔn)粒子的概念也不是絕對(duì)的，而是取決于觀察者的能量或長度尺度,。以標(biāo)準(zhǔn)模型的能量尺度Es = 10 GeV = 10¹⁰ eV出發(fā)來測(cè)量,，凝聚態(tài)物理的基本激發(fā)，如聲子,，石墨烯中的狄拉克費(fèi)米子,，拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)，與最近發(fā)現(xiàn)的手性馬約拉納費(fèi)米子確實(shí)表現(xiàn)為準(zhǔn)粒子,，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在更低的能量尺度Ec = 1 meV = 10^-3 eV,。這些準(zhǔn)粒子由有效的波動(dòng)方程來描述，該方程的形式與標(biāo)準(zhǔn)模型中的波形方程完全相同,。然而,，普遍認(rèn)為,，標(biāo)準(zhǔn)模型本身不是終極理論。例如,，超弦理論試圖在Ep = 10¹⁹ GeV的普朗克能標(biāo)和Lp =10^-35 m的長度尺度下來統(tǒng)一量子力學(xué)和引力,，超弦是基本的實(shí)體，而標(biāo)準(zhǔn)模型中的“基本粒子”表現(xiàn)為弦的振動(dòng)模式,。因此，電子和夸克在超弦理論中表現(xiàn)為準(zhǔn)粒子,，其方式與原子晶格振動(dòng)的準(zhǔn)粒子相似,。

? 一維原子晶格中的聲子示意圖。晶格的長波振動(dòng)模式（虛線所示）對(duì)應(yīng)于固體中的準(zhǔn)粒子, 稱為聲子,。以原子作為基本粒子的觀點(diǎn)出發(fā),，聲子看來是準(zhǔn)粒子,。

? 超弦理論將基本粒子解釋為普朗克尺度下弦的不同振動(dòng)模式，振動(dòng)模式的波長反比于”基本粒子”的質(zhì)量。圖中從上到下依次為真空態(tài)（不振動(dòng)）,，輕粒子如電子（長波振動(dòng)），以及重粒子（短波振動(dòng)）的示意圖,。以超弦作為基本實(shí)體的觀點(diǎn)出發(fā), 標(biāo)準(zhǔn)模型里的”基本粒子”看來也是準(zhǔn)粒子,。

我把這基本原理稱之為粒子—準(zhǔn)粒子相對(duì)性原理。粒子與準(zhǔn)粒子的概念不是絕對(duì)的,，而是取決于觀察者的相對(duì)能量和長度尺度,。愛因斯坦的狹義相對(duì)論在數(shù)學(xué)上可以通過洛倫茲變換來精確地表達(dá)，同樣, 粒子—準(zhǔn)粒子相對(duì)性原理在數(shù)學(xué)上也可以通過重整化群來描述,。從較高能量和較短長度尺度定義的“粒子”理論出發(fā),，可以系統(tǒng)地用積分法除掉高能量和短長度的自由度，并獲得在較低能量尺度定義的“準(zhǔn)粒子”的有效理論,。以這種方式,，準(zhǔn)粒子的波動(dòng)方程可以從粒子的波動(dòng)方程得出，它們往往擁有不同的形式,。例如,，相對(duì)論性狄拉克方程描述靜止質(zhì)量為E = 1 MeV = 10⁶ eV的的電子，但電子在1 eV原子能量尺度上可以被非相對(duì)論薛定諤方程描述,。但是在1 meV = 10^-3eV的能量級(jí)上,，拓?fù)浣^緣體的表面狀態(tài)再次由相對(duì)論性的狄拉克方程描述。我稱這從MeV到meV的狄拉克方程的層展現(xiàn)象(emergent phenomenon),，它是自然界美最深刻的表現(xiàn)之一,。通常認(rèn)為，相對(duì)論性狄拉克方程比非相對(duì)論的薛定諤方程更為基本,。因此,，從相對(duì)論性的狄拉克方程推導(dǎo)出非相對(duì)論的薛定諤方程并不奇怪,。然而，從描述固體中電子的非相對(duì)論薛定諤方程出發(fā),，推導(dǎo)出拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)的相對(duì)論性狄拉克方程是相當(dāng)令人驚訝的,。這是層展概念的最佳說明：有時(shí)準(zhǔn)粒子可能比粒子本身更有趣。

愛因斯坦的相對(duì)性原理是反直覺的,，因?yàn)槲覀兊娜粘Ｉ畹乃俣韧ǔ＿h(yuǎn)小于光速,。 同樣，粒子—準(zhǔn)粒子的相對(duì)性原理也是反直覺的,，因?yàn)槲覀兞?xí)慣于從我們自身的能量尺度來觀察事物,，不容易達(dá)到普朗克能量尺度。 但是我們可以用愛因斯坦的假想實(shí)驗(yàn)(Gedanken experiment)方法,，讓我們的想象力把我們帶到普朗克能標(biāo),。 從那里看，標(biāo)準(zhǔn)模型的“基本粒子”和凝聚態(tài)的“準(zhǔn)粒子”都是“準(zhǔn)粒子”,。 凝聚態(tài)物理（eV）和粒子物理（GeV）的能量尺度差異為10⁹eV,，比普朗克能標(biāo)Ep = 10¹⁹ GeV小十個(gè)數(shù)量級(jí)（10^-10）。此時(shí)此刻,，普朗克能量的觀察者只會(huì)慶祝人類首次發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子,，而不會(huì)因?yàn)?.00000001%的能量差而爭論說這次發(fā)現(xiàn)的是粒子還是準(zhǔn)粒子。

因此,，粒子與準(zhǔn)粒子之間沒有本質(zhì)的區(qū)別,，概念是相對(duì)的，正如時(shí)間的概念是相對(duì)的一樣,。 粒子與準(zhǔn)粒子都在時(shí)空傳播,，滿足波動(dòng)方程。 粒子類型應(yīng)按照它所滿足的數(shù)學(xué)波動(dòng)方程來分類,。 我們發(fā)現(xiàn)的是自然界中第一個(gè)滿足馬約拉納波動(dòng)方程的馬約拉納粒子,，而粒子與準(zhǔn)粒子的區(qū)別是不必要的。

傳播的馬約拉納粒子和量子馬約拉納束縛態(tài)之間的差異：在1937年,，Ettore Majorana寫下了相對(duì)論性的馬約拉納波動(dòng)方程,，用來描述粒子是其自身反粒子的費(fèi)米子。 馬約拉納的波動(dòng)方程描述了一個(gè)在時(shí)空自由傳播的粒子,。我們首次發(fā)現(xiàn)的是時(shí)空自由傳播的馬約拉納粒子的實(shí)驗(yàn)證據(jù),。后人推廣了Majorana的工作，并且討論了量子Majorana束縛態(tài),，其能量嚴(yán)格為零,，因此，這種量子束縛態(tài)有時(shí)也被稱為馬約拉納零能模,。 在時(shí)空自由傳播的粒子具有連續(xù)能量,，并取決于其動(dòng)量,，稱為色散關(guān)系。 相比之下,，量子束縛態(tài)被約束在空間某個(gè)具體位置,，其具有離散的能級(jí)。

在我們關(guān)于時(shí)空自由傳播馬約拉納粒子的工作之前,，科學(xué)界已經(jīng)對(duì)馬約拉納零能模進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究,，通常在納米線的兩端實(shí)現(xiàn)。馬約拉納零能模的必要但不充分的條件是零能量的量子態(tài),。然而,，通過實(shí)驗(yàn)來證明嚴(yán)格處于零能量是非常困難的。由于有限的能量分辨率,，接近零能量的許多平庸?fàn)羁赡鼙徽`認(rèn)為是零能量。更嚴(yán)格的要求是,，馬約拉納零能模的數(shù)量必須是奇數(shù),。如果有偶數(shù)個(gè)零能模，它們可以成對(duì)地相互耦合,，其所產(chǎn)生態(tài)的能量將不再為零,。早期實(shí)驗(yàn)確實(shí)在零能量附近找到了很寬的電導(dǎo)峰，但是實(shí)驗(yàn)不能確定是否存在奇數(shù)個(gè)零能模,，同時(shí)峰值也可能由接近零能量的許多其他平庸的態(tài)引起,。麻省理工學(xué)院的李雅達(dá)教授和他的同事們給出了一個(gè)定量的理論預(yù)測(cè)，馬約拉納零能模將給出2e²/h的量子化微分電導(dǎo)峰值,。在2016年6月2日我們的科學(xué)論文提交日期前,，所有以前的實(shí)驗(yàn)僅達(dá)到理論預(yù)測(cè)的微分電導(dǎo)峰值的1-10％。實(shí)驗(yàn)觀察的峰值遠(yuǎn)離理論預(yù)言的量子化條件, 說明的確有許多平庸態(tài)在零能附近,，實(shí)驗(yàn)無法分辨在那些平庸態(tài)中是否有能量嚴(yán)格等于零的馬約拉納零能模,，更無法確認(rèn)馬約拉納零能模的個(gè)數(shù)的確是否是奇數(shù)。在這個(gè)意義上,，用微分電導(dǎo)尋找馬約拉納零能模的實(shí)驗(yàn)是沒有定論的,。

另一方面，我們的理論預(yù)測(cè)手性馬約拉納費(fèi)米子可以產(chǎn)生1/2 e²/h的量子化電導(dǎo)平臺(tái),，并且實(shí)驗(yàn)測(cè)量值接近理論預(yù)言的100％,。更有趣的是，理論上可以嚴(yán)格證明,，手性馬約拉納費(fèi)米子必然會(huì)導(dǎo)致馬約拉納零能模,。納米線實(shí)驗(yàn)需要許多微調(diào)，如費(fèi)米能級(jí),，模式奇數(shù)等,。相比之下,，量子反常霍爾絕緣體薄膜和超導(dǎo)的耦合體系不需要任何微調(diào),，實(shí)驗(yàn)證據(jù)是清晰的,。

以實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)觀察理論預(yù)言量子化條件為客觀標(biāo)準(zhǔn)，在尋找馬約拉納粒子的競賽中,，我們的團(tuán)隊(duì)最先起跑,，也是最先到達(dá)沖刺線的。而在尋找馬約拉納粒子和馬約拉納零能模的廣義競賽中,，我們的團(tuán)隊(duì)不是最先起跑的,，卻是最先到達(dá)沖刺線的。

物以稀為貴:手性馬約拉納費(fèi)米子的特殊性,。從狄拉克費(fèi)米子出發(fā),，有兩種不同的方法得到狄拉克費(fèi)米子的一半，一種可以通過手性的條件得到手性或者外爾費(fèi)米子,，另一種則是通過馬約拉納或?qū)崝?shù)條件,。(近年來，在凝聚態(tài)物理學(xué)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了手性或者外爾費(fèi)米子,。) 然而,，只有在1維空間 1維時(shí)間和9維空間 1 維時(shí)間（它們時(shí)間空間維度差8, 體現(xiàn)了深刻的數(shù)學(xué)概念稱之Bott周期）的情況下，可以同時(shí)施加手性和馬約拉納條件,，以獲得手性馬約拉納費(fèi)米子,，這是狄拉克費(fèi)米子的四分之一。 1維空間 1維時(shí)間和9維空間 1 維時(shí)間的手性馬約拉納費(fèi)米子是超弦理論的重要組成部分,。 超弦掃出1 1維的世界面,，而它在9 1維的時(shí)空傳播，恰恰是手性馬約拉納費(fèi)米子存在的兩個(gè)維度,！

? 幾種2維拓?fù)淞孔討B(tài)以及它們對(duì)應(yīng)的1 1維邊緣態(tài),。右下：二維拓?fù)浣^緣體（量子自旋霍爾態(tài)），邊緣態(tài)是狄拉克費(fèi)米子,。右上：量子反?；魻柦^緣體，邊緣態(tài)是手性狄拉克費(fèi)米子,，自由度是狄拉克費(fèi)米子的一半,。左下：時(shí)間反演對(duì)稱拓?fù)涑瑢?dǎo)體，邊緣態(tài)是馬約拉納費(fèi)米子,，自由度是狄拉克費(fèi)米子的一半,。左上：手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體，邊緣態(tài)是手性馬約拉納費(fèi)米子,，自由度是狄拉克費(fèi)米子的四分之一,。

在凝聚態(tài)物理學(xué)中,，手性馬約拉納費(fèi)米子也非常特別。 我們可以從二維拓?fù)浣^緣體開始,，其邊緣態(tài)是1 1維的狄拉克費(fèi)米子并呈現(xiàn)出量子自旋霍爾效應(yīng),。磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng),，其邊緣態(tài)為1 1維手性費(fèi)米子,，或狄拉克費(fèi)米子的一半。 量子反?；魻柦^緣體與超導(dǎo)體的近鄰效應(yīng)導(dǎo)致手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體,，其邊緣狀是1 1維的手性馬約拉納費(fèi)米子，其是狄拉克費(fèi)米子的四分之一,。

理論預(yù)言了什么,？它為什么重要？在2010年至2015年的三篇文章中[1][2][3],，我們斯坦福的理論團(tuán)隊(duì)預(yù)言了在哪里可以找到馬約拉納費(fèi)米子,，以及用什么實(shí)驗(yàn)測(cè)量跡象來確認(rèn)是馬約拉納費(fèi)米子。我們的團(tuán)隊(duì)提出手性馬約拉納費(fèi)米子存在于由量子反?；魻柦^緣體薄膜和常規(guī)超導(dǎo)體薄膜組成的混合器件中,。隨著外磁場(chǎng)的變化,，量子反?；魻柦^緣體的電導(dǎo)顯示出1和0的量子化平臺(tái)，以基本常數(shù)e²/h為單位,，這在以前實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到,。與傳統(tǒng)超導(dǎo)體的近鄰效應(yīng)產(chǎn)生手性馬約拉納費(fèi)米子，其導(dǎo)致額外的電導(dǎo)平臺(tái),，為1/2e²/h,。由于馬約拉納費(fèi)米子沒有反粒子，在某種意義上說它是常規(guī)粒子的一半,，因此,，額外的半整數(shù)量子化平臺(tái)提供手性馬約拉納費(fèi)米子存在的明確證據(jù)。

按照我們的理論建議,，加州大學(xué)洛杉磯分校（由王康隆教授領(lǐng)銜）,，加州大學(xué)戴維斯分校（由劉愷教授主持）和加州大學(xué)爾灣分校（由夏晶教授主持）的實(shí)驗(yàn)家團(tuán)隊(duì)與斯坦福大學(xué)理論團(tuán)隊(duì)密切合作， 在理論建議的器件中發(fā)現(xiàn)了手性馬約拉納費(fèi)米子,。 他們?cè)贕aAs襯底上制備了量子反?；魻柦^緣體薄膜CrBiSbTe的樣品，并由Nb超導(dǎo)體覆蓋,。 隨著掃描外磁場(chǎng),，除了通常的整數(shù)量子化平臺(tái)之外,，他們觀察到了由我們的理論組預(yù)測(cè)的半整數(shù)量子化平臺(tái)[4]。 在較高的磁場(chǎng)和三終端進(jìn)行了額外的實(shí)驗(yàn),，令人信服地排除可能的實(shí)驗(yàn)假象,。

? 左圖：我們理論建議實(shí)現(xiàn)與測(cè)量手性拓?fù)涑瑢?dǎo)的混合器件，由普通超導(dǎo)覆蓋量子反?；魻柦^緣體得到[3],。右圖：實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)制作的手性拓?fù)涑瑢?dǎo)器件，其中Nb超導(dǎo)體覆蓋于CrBiSbTe量子反?；魻柋∧ぶ蟍4],。根據(jù)我們理論的預(yù)測(cè)[3]，電極1和2之間的電導(dǎo)會(huì)呈現(xiàn)出半整數(shù)量子化平臺(tái),。

? 左圖：我們理論中預(yù)測(cè)的電導(dǎo)隨磁場(chǎng)變化的曲線,。其中四個(gè)半整數(shù)量子化平臺(tái)標(biāo)志著手性拓?fù)涑瑢?dǎo)的出現(xiàn)[3]。右圖：實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)所測(cè)量到的電導(dǎo)隨磁場(chǎng)變化的曲線與半整數(shù)量子化平臺(tái),，與理論預(yù)測(cè)相吻合[4],。

著名的科學(xué)哲學(xué)教授卡爾·波普爾（Karl Popper）表達(dá)了這樣的觀點(diǎn)：科學(xué)之所以能區(qū)別于偽科學(xué)，因?yàn)榭茖W(xué)能夠做出精確的理論預(yù)言,，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或證否,。可驗(yàn)證的理論預(yù)言,，應(yīng)該提出精確的器件結(jié)構(gòu),，以便材料科學(xué)家相應(yīng)地生長材料并構(gòu)建器件。應(yīng)該預(yù)言精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,，以便在實(shí)驗(yàn)中定量測(cè)試?yán)碚擃A(yù)言,。自從我們2006年首次預(yù)言了HgTe絕緣體后，在拓?fù)浣^緣體和拓?fù)涑瑢?dǎo)體領(lǐng)域,，理論上預(yù)言了幾乎所有的材料和效應(yīng),，都在實(shí)驗(yàn)觀察之前。理論與實(shí)驗(yàn)的定量一致性大大推進(jìn)了該領(lǐng)域發(fā)展,。因此,，這一領(lǐng)域?yàn)槲镔|(zhì)科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的其他分支樹立了榜樣，希望有一天我們可以通過理論預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)有用的材料而造福于人類,，并不必用窮舉法對(duì)每一個(gè)可能材料做實(shí)驗(yàn)搜尋,。

參考文獻(xiàn):

[1] Xiao-Liang Qi, Taylor L. Hughes, Shou-Cheng Zhang, “Chiral Topological Superconductor From the Quantum Hall State”, Phys. Rev. B 82, 184516 (2010).

[2] Suk BumChung, Xiao-Liang Qi, Joseph Maciejko, Shou-Cheng Zhang, “Conductance andnoise signatures of Majorana backscattering”, Phys. Rev. B 83, 100512(R)(2011).

[3] Jing Wang,Quan Zhou, Biao Lian and Shou-Cheng Zhang, “Chiral topological superconductorand half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateautransition”, Physical Review B, 92, 064520 (2015).

[4] Qing. LinHe, Lei Pan, Alexander. L Stern, Edward Burks, Xiaoyu Che, Gen Yin, Jing Wang, Biao Lian, Quan Zhou and Eun. Sang Choi, Koichi Murata, Xufeng Kou, TianxiaoNie, Qiming Shao, Yabin Fan, Shou-Cheng Zhang, Kai Liu, Jing Xia and Kang L.Wang, “Chiral Majorana edge modes in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure”, Science 357, 294 (2017).

加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆評(píng)論

? 加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校教授王康隆。王康隆實(shí)驗(yàn)室供圖

注：Charles Kane教授和Liang Fu論文可參閱https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.096407

麻省理工學(xué)院終身教授,、格林講席教授文小剛評(píng)論

? 文小剛于2014年末接受《賽先生》專訪,。攝影：李曉明

和首晟一樣，我一直認(rèn)為三維的準(zhǔn)粒子和三維的基本粒子是沒有區(qū)別的,。我把這一看法概括為信息與物質(zhì)的統(tǒng)一,，或者說物質(zhì)起源于信息。我認(rèn)為我們的真空就是由量子信息組成的量子比特海,。而我們看到的所謂基本粒子,，就是量子比特海中的準(zhǔn)粒子。過去十幾年,，我們做了大量的工作,。證明了光波的麥克斯韋爾方程，膠子的楊－米爾斯方程,，電子夸克的狄拉克方程,，都可以從量子比特海中搞出來，描寫其中各種各樣不同的波,。由此證明了所有基本粒子,，都可以看成是量子比特海中的準(zhǔn)粒子。這是拓?fù)湫蛟诨玖Ｗ宇I(lǐng)域中的重大應(yīng)用,。

我寫了很多科普文章傳播這一觀念,。可以參閱的文章包括《來自拓?fù)湫虻拇蠼y(tǒng)一》,，《文小剛：光的奧秘和空間的本源｜眾妙之門》,，以及《經(jīng)典回顧 |【華人之光Ⅰ】文小剛（上）：物理學(xué)新的革命》。

這三篇文章都講了三維基本粒子就是三維準(zhǔn)粒子這一觀念,。

對(duì)于這項(xiàng)新的工作,，我此前在接受果殼科學(xué)人的采訪中做了論述：

之前，人們就已經(jīng)在有自旋軌道耦合的超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了以準(zhǔn)粒子激發(fā)的形式存在的馬約拉納費(fèi)米子,，但當(dāng)時(shí)它被叫做另外一個(gè)名字：玻戈留玻夫（Bogoliubov）準(zhǔn)粒子,。超導(dǎo)體中的準(zhǔn)馬約拉納費(fèi)米子，或玻戈留玻夫準(zhǔn)粒子的確和暗物質(zhì)的一個(gè)候選粒子有點(diǎn)像,，即自己是自己的反粒子,。作為基本粒子的或超導(dǎo)體中的馬拉約納費(fèi)米子是能在三維跑的,。這次的工作發(fā)現(xiàn)的是在一維跑的馬拉約納費(fèi)米子,。是很不一樣的東西。

我還可以說明一點(diǎn)：

正是因?yàn)椴灰粯?，所以這一次是一個(gè)新工作,。1993年我在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letters）上發(fā)表的文章中，預(yù)言了這種一維手征馬約拉納費(fèi)米子可以出現(xiàn)在非阿貝爾量子霍爾態(tài)的邊界上。這一類拓?fù)鋺B(tài)有半整數(shù)電導(dǎo),。而高精度半整數(shù)電導(dǎo)1999年已在量子霍爾試驗(yàn)中被Wei Pan觀察到［注］,。這間接地發(fā)現(xiàn)了一維手征馬約拉納費(fèi)米子。這次新實(shí)驗(yàn),，也是通過半整數(shù)電導(dǎo),，間接地發(fā)現(xiàn)一維手征馬約拉納費(fèi)米子。但實(shí)驗(yàn)的構(gòu)造,，半整數(shù)電導(dǎo)的機(jī)制和以前完全不同,。

注：Wei Pan的論文Exact Quantization of the Even-Denominator Fractional Quantum Hall State at ν=5/2 Landau Level Filling Factor，Phys. Rev. Lett. 83, 3530 – Published 25 October 1999,，DOI:https:///10.1103/PhysRevLett.83.3530

中國科學(xué)院物理研究所研究員戴希評(píng)論

? 中國科學(xué)院物理研究所研究員戴希,。本人供圖。

我很贊同首晟的觀點(diǎn),，的確基本粒子和準(zhǔn)粒子的概念并非絕對(duì)的,，在一種物質(zhì)層次下的基本粒子，可以是更微觀層次上的準(zhǔn)粒子,，兩者之間存在非常深刻的相似性,。這里我想補(bǔ)充一點(diǎn)，其實(shí)基本粒子和準(zhǔn)粒子的不同,，還涉及到自然科學(xué)研究中的兩種基本思想方法,，即還原論和演生論。他們之間并非矛盾和對(duì)立的關(guān)系,，而是看問題視角的不同,。還原論的思想方法是把對(duì)這一層次的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、演化規(guī)律研究分解到下一層次,，例如要搞清楚大塊物質(zhì)的物理性質(zhì),，就要研究組成它的原子、分子,，同樣要解釋原子,、分子的特殊性質(zhì)，就要研究組成它們的電子和原子核,，以此類推,。還原論認(rèn)為只要搞清楚了單個(gè)基本粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，原則上可以耦合大量類似粒子的運(yùn)動(dòng)方程,，通過數(shù)值計(jì)算來預(yù)測(cè)宏觀體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,。還原論的思想很容易被大眾接受，在人類認(rèn)識(shí)自然的進(jìn)程中曾發(fā)揮過重大作用,。然而,，隨著凝聚態(tài)物理研究的深入,，從上世紀(jì)70年代起，人們逐漸認(rèn)識(shí)到,，僅僅依靠還原論并不能真正解決由足夠大量的“基本粒子”所組成的宏觀物質(zhì),，1972年著名的凝聚態(tài)理論物理學(xué)家P.W. Anderson在一篇文章中提出“More is different”, 于淥先生把它翻譯成“多者異也”，指的就是這個(gè)問題,。

與還原論相對(duì)應(yīng)的另一種思想方法就是演生論,。在演生論中，研究的是大量類似微觀客體如何通過微觀相互作用,，演生出完全不同于微觀客體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的,，更高物質(zhì)層次的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。也就是說,，演生論強(qiáng)調(diào)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是分層次的,，在每個(gè)層次上都有其獨(dú)特的物理規(guī)律，僅僅搞清楚微觀層次的物理規(guī)律,，對(duì)我們理解宏觀層次的物理現(xiàn)象還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。

這次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一維手征馬約拉納費(fèi)米子，就是這樣一種由相互作用下的電子,，在特殊晶格結(jié)構(gòu)下,，演生出來的準(zhǔn)粒子，其滿足的運(yùn)動(dòng)方程和統(tǒng)計(jì)規(guī)律,，跟當(dāng)年馬約拉納假設(shè)存在的那種集正／反粒子態(tài)于一身的基本粒子,，是完全一樣的。它們之間的不同之處,，正如首晟在文中指出的一樣,，主要在于能量、長度和時(shí)間尺度,。

事實(shí)上,，在極其豐富的凝聚態(tài)材料中，如果僅僅找到滿足類似某種基本粒子運(yùn)動(dòng)方程的準(zhǔn)粒子,，其科學(xué)意義是有限的,，更重要的是這些新型準(zhǔn)粒子所帶來的奇異物理現(xiàn)象，例如外爾費(fèi)米子和狄拉克費(fèi)米子態(tài)帶來的表面費(fèi)米弧,、手性反常和手性磁效應(yīng),；一維手性邊緣電子態(tài)導(dǎo)致的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)等。這次發(fā)現(xiàn)的一維手性馬約拉納費(fèi)米子,，則進(jìn)一步導(dǎo)致半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)平臺(tái),，確是一個(gè)大的突破。這次實(shí)驗(yàn)的重要意義還在于給拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了一個(gè)全新的材料平臺(tái),，在其上有可能開展各種拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域期待已久的實(shí)驗(yàn)工作,，非常值得期待,。