反物质现身实验室

要捕获希格斯玻色子（Higgs boson）或者那些同时既可以是正物质又可以是反物质的神秘粒子，哪里才是最好的场所？虽然强大的粒子加速器——比如大型强子对撞机似乎最为稳妥，但是，在美国马萨诸塞州波士顿举行的美国物理学会会议上，有两场演讲则认为，这类罕见粒子的踪迹可以在实验室内寻到。

第一场演讲提到的完全是理论设想，认为诸如难以捉摸的、被认为是物质的质量之源的希格斯玻色子一类的物质可能会在名为自旋冰的晶体中微量出现；第二场演讲则较为具体，可能是自70多年前首次设想出这么一种虚构粒子以来，人们第一次亲眼看到。

自旋冰因这类晶体中量子力学旋转顺序得名，它模拟了普通水冻冰块中的氢原子。2008年，人们发现这些晶体拥有磁单极子——单级“电子”，可以像电荷一样围绕自旋冰运动，由此，自旋冰便引起人们重视。这种现象令人震惊，因为以往我们总习惯性地认为磁荷总是固定地以北极和南极成对整体出现的。

现在，包括Stephen Powell在内的理论学家们认为，自旋冰另有高招。Stephen Powell认为，在特定环境下，自旋冰会向一个更具秩序的状态转变，这种转变可以用一种数学方法描述出来，而这种数学方法以前也同样用来描述早期宇宙所经历的转变事件，当时希格斯玻色子产生了其他基本粒子的质量。如果这样的话，自旋冰中就可能潜藏着一种与希格斯玻色子十分相似的物质。

集体激发

在波士顿会议上做报告的第二个实验室的结果却非常具有实践性，为人类史上一个跨越了近一个世纪的奇妙故事翻开了新篇章。

70多年前，意大利物理学家Ettore Majorana对费米子背后的理论进行了研究。费米子是一种粒子，包含了电子和夸克——物质的基本构成要素。这类粒子中每个都具有相对等的反物质。实际上，这类粒子与其反物质是相同的，只是两者所拥有的电荷相反。

粒子与其反物质粒子一旦接触，通常就会发生湮灭反应。但是在1937年，Majorana提出了一个当时看来很奇特的数学问题：没有电荷的费米子可能也有反粒子存在——该反粒子具有的电荷也是零。这样的粒子与自身反粒子不能区分，这意味着，物质和反物质可以和平共处。人们称这种粒子为Majorana粒子。

2月27日，荷兰代尔夫特理工大学的Leo Kouwenhoven及其同事的初步证据证明了确实有这样一种粒子对的存在。他们发现Majorana粒子不是那种可以自己跑到粒子探测器里的自由粒子，却是锑化铟半导体纳米导线内的集体激发态电子和“空洞”状态——即没有电子。

Kouwenhoven及其团队在纳米导线内发现一个提示性的能量波普信号，该信号正好与一种零能量的物质形成时的信号一致——确切的说，是一对Majorana粒子形成时预计会出现的信号。当该团队对纳米导线施加磁场时，关键的证据便出现了。如何是这个信号来自于除了Majorana粒子之外的任何物质，它的能量在磁场下会改变。但是，它的能量没有改变，所以信号的确来自Majorana粒子本身。

脆弱的物质

如果Kouwenhoven等人的观察得到确证，那么Majorana粒子将会是用作量子计算机中的量子比特的完美候选者。不像普通比特，量子比特一次能够以多种状态存在，人们称之为叠加态。量子比特彼此间还可以发生量子纠缠。总而言之，这意味着量子计算机可以同时进行多重运算，在执行某些任务时比普通计算机运算更快。

人们设计出许多方案制造量子比特，包括光量子和束缚离子，但是，Majorana粒子具有独一无二的优点。量子比特很脆弱，受到环境干扰时极易丢失自身信息。Majorana粒子对可以编码相同的信息，分布在两点，这使得它们有更强的稳健性抵抗局部波动。遗憾的是，Kouwenhoven团队一直未能揭示Majorana粒子的其他谜题。Majoran本人在31岁时，在从意大利巴勒莫和那不勒斯之间的乘船旅途中失踪。2006年，乌克兰哈尔科夫国立大学的物理学家Oleg Zaslavskii认为，Majoran的失踪是他精心设计的假象，意在证明量子叠加态——简而言之，他想跟著名的薛定谔的猫一样，既处于生的状态，又处于死的状态。

撰稿：Richard Webb

来源：Celeste Biever