马约拉纳：未来物理的天使还是幽灵?

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埃托雷·马约拉纳

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撰文 | 季向东   韩    柯（上海交通大学）

责编 | 黄俊如

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1.  八十年前的预言与神秘失踪

1938年3月25日，年仅32岁的意大利理论物理学家、那不勒斯大学教授埃托雷·马约拉纳留下一封遗书后神秘失踪。有人说他自杀了，有人说他被绑架并被他杀，有人说他进了修道院，有人说他成了乞丐，有人说他在南美的阿根廷或委内瑞拉隐居一生，总之，至今下落不明。

马约拉纳曾师从的物理学大师费米（也是李政道先生在芝加哥的博士导师）。费米认为他的这个学生是个超一流的物理学家，堪与伽利略和牛顿比肩。在以后的研究生涯里，费米遇到最困难的问题时常常感叹，“如果埃托雷在这里就好了！”

马约拉纳作为理论物理学家仅发表过9篇文章，其中大部分发在1931和1932年。在1932-1933年间，他研究相对论量子力学，对1928年狄拉克发现的电子基本运动方程所预示的电子与其反粒子“正电子”（1932年发现）之间的不对称感到不满意（后来理论物理发展的量子场论在某种程度上弥补了这一缺陷）。他发现狄拉克方程其实也允许一种粒子与反粒子完全相同的一种解，并认为泡利在1930年建议的“中微子”可能就是这种粒子。但他没有立即发表这个结果，并且此后四年间再也没有发表任何文章。直到1937年应聘那不勒斯大学理论教授的位置，才在朋友的催促下发表了他一生中的最后一篇文章[1]，然后神秘失踪。

马约拉纳在这篇文章中预言了一种可能的自然界组成的基本单元，现在习惯称为马约拉纳粒子。这是一种中性无任何（电）荷的、满足相对论量子力学、自旋1/2的粒子，可以看作是狄拉克粒子的一半。迄今为止，实验上也没有这种粒子存在的确切证据。但是，证明这种粒子的确切存在，对我们了解大自然的最终奥秘可能是一把关键的钥匙。因此，实验上找到基本的马约拉纳粒子成为当今人类最重要的基础科学问题之一，入选《科学》杂志在本世纪初列出的人类现阶段最重要的125个科学问题 [2]。

2.  基础物理学的天使

基本粒子是组成自然界的最基本单元。它们可以分为两大类，玻色子和费米子。玻色子的自旋（类似于陀螺绕自身的旋转）都是一个基本单位（h-bar）的整数倍。如2012年发现的“希格斯”粒子自旋为零，而光的基本单元“光子”自旋为1，引力波的基本单元“引力子”自旋为2，他们都是“玻色子”。而费米子的自旋是这个基本单位的半整数倍，如电子与中微子的自旋都是1/2。基本粒子也都有相应的反粒子。电子的反粒子是正电子，而光子的反粒子却是它本身。

实验经验似乎告诉我们，费米子有一个有趣的规律：他们都带有某种“荷”把粒子与反粒子区分开来，比如正反电子的 “电荷” 是相反的。电中性、自旋为1/2的中子虽然不是基本粒子，但也有自己的反粒子，称为 “反中子”，是1956年在美国加州伯克利实验室发现的。如这个规律完全正确，那么可以断言马约拉纳粒子——那种中性的、粒子与反粒子不可分辨的费米子，在现实世界里并不存在。