埃托雷·马约拉纳

埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana，1906年-？），出生于西西里岛卡塔尼亚，男，意大利理论物理学家。^[2][3]

马约拉纳出生于意大利西西里岛的卡塔尼亚，他的父亲法比奥·马约拉纳（Fabio Majorrana）为工程学、物理学研究出身。1923年，马约拉纳进入罗马大学攻读工程学。1928年，马约拉纳在埃米利奥·吉诸·塞格雷的建议下转向物理学研究，随后加入费米领导的“帕尼斯贝尔纳大道少年团”（Ragazzi di via Panisperna）。1933年，马约拉纳先后去德国跟维尔纳·海森堡，去到丹麦跟尼尔斯·玻尔进行合作研究。同年秋天，马约拉纳因为身体状况返回罗马。1937年，那不勒斯大学破格授予他教席，并且在此年马约拉纳发表论文，提出马约拉纳费米子（又被称为“天使粒子”）发现。^[2]1938年3月25日晚上，马约拉纳在那不勒斯登上提莱尼亚公司的蒸汽船，出发前往巴勒莫，之后便再无音讯。^[7]

马约拉纳提出马约拉纳费米子在未来量子计算机中的重要应用，之后世界各地的科学家便一直尝试在凝聚态物质的多种系统中寻找“马约拉纳费米子”。^[5]马约拉纳为中微子质量研究的先驱，并提出马约拉纳方程。^[2]

1906年，马约拉纳出生于意大利西西里岛的卡塔尼亚，他的父亲法比奥·马约拉纳为工程学、物理学研究出身，他的伯父奎里诺·马约拉纳（Quirino Majorana）也为一名实验物理学家。1923年，他进入罗马大学攻读工程学。1928年，马约拉纳在埃米利奥·吉诸·塞格雷的建议下转向物理学研究，年轻时就加入了费米（Enrico Fermi ）在罗马的团队，成为帕尼斯贝尔纳大道少年团（Ragazzi di via Panisperna）中的一员。^[2]

1928年，恩里科·费米（Enrico Fermi）获得了他的第二个重要成果：即托马斯-费米模型的原子统计模型。几个月后，仍是学生的马约拉纳改进了该模型，使其能够扩展到离子，但他的成果被费米忽略了。^[8]

1932年，马约拉纳提出一个原子核仅由质子和中子组成的原子模型，并发展出一种关于将它们聚合起来的核力的理论，为“马约拉纳核力”。^[9]同年，居里夫妇在实验中观测到一种未知的中性粒子，他们最初认为是伽马射线。马若拉纳第一个洞见这实际是一种质量与质子相当的新粒子——即中子。费米（Fermi）曾建议他就此专门撰文，但他没有这样做。直到后来，查德威克的实验终于证实了中子的存在，他因此获得了诺贝尔奖。^[10][11]

在费米的劝说下，马约拉纳于1933年初获得国家研究委员会的资助离开意大利前往德国莱比锡。在那里，他结识了物理学家海森堡（Heisenberg）。后来马约拉纳在给海森堡的信件中透露，海森堡不仅是他的科学同行，更是一位亲密的朋友。就在马约拉纳到访期间，纳粹党在德国上台执政。他致力研究一种核理论，该理论在处理交换力的方面代表对海森堡核理论的进一步发展。^[12]1933年秋，马约拉纳身体状况不佳返回罗马，慢慢变得孤僻内向，对家人的态度也变得很刻薄。马约拉纳逐渐很少出现在研究所，几乎整日足不出户，这位曾经充满前景的年轻物理学家几乎成了隐士。接下来近4年，他与朋友断绝了往来，也停止了学术著作的发表。^[2][13]

1934年，费米在与阿马尔迪（Amaldi）合作的一篇论文中，列出了马约拉纳的模型版本，但却懒得对其进行引用。尽管有这些成就，但马约拉纳却没有得到任何大学职位。^[8]

1937年，那不勒斯大学破格授予他教席，并且在此年发表论文。马约拉纳预测，在被称为费米子的一类粒子中，有一些粒子即它们自身的反粒子，为所谓的马约拉纳费米子（又被称为“天使粒子”）和马约拉纳费米子在未来量子计算机中的重要应用^[2][5]

1938年，马约拉纳32岁时凭借“在理论物理学领域取得了卓越非凡的专业成就”，不需参加考试便被那不勒斯大学直接聘任为理论物理学教授。在神经质量方面，马约拉纳做出了具有前瞻性的理论研究工作，这一领域直到2017年仍是活跃的研究热点。^[14]

1938年3月25日晚上，马约拉纳在那不勒斯登上提莱尼亚公司的蒸汽船，出发前往巴勒莫，当时马约拉纳已在那不勒斯大学教授一年的理论物理学。登船之后便再没有马约拉纳的任何消息，4月17日《星期天邮报》的专栏中登出寻人启事，之后便有关于马约拉纳失踪的不同猜测。^[7]

据报道，在前往西西里岛巴勒莫之旅之前，马约拉纳已从银行账户提取了全部存款。他可能是希望能拜访好友、当时在巴勒莫大学任教的塞格雷（Emilio Segrè）教授，却不料塞格雷教授恰好前往加利福尼亚州。抵达巴勒莫后，马约拉纳便立即购买了一张回程的船票。然而在不明原因下，他从此神秘消失。尽管多方展开调查，却始终没有发现他的下落。就在他失踪的那一天，马约拉纳曾致函给那不勒斯大学的同事卡莱利：“亲爱的卡莱利，我已作出了一个无法逆转的决定。这并非出于自私，但我深知我突然消失必将给您和学生们带来诸多不便，为此我再次诚挚地向您道歉。更重要的是，我辜负了您在过去几个月里对我的信任、真诚友谊和热忱关怀。请代我向所有在您研究所里结识并由衷敬重的那些人问好，尤其是舒蒂，至少到今晚11点，乃至更晚些时候，我都会怀念与他们相处的美好时光。”^[7][13]

1938年3月26日，卡莱利收到一封马约拉纳的电报，电报中否定了刚刚寄出的那封信，并承诺会再写一封：“不要惊慌。再联系。马约拉纳。”新来的信落款日期是“巴勒莫1938年（XVI年）3月26日”。在信中，马约拉纳宣称自己将立刻回归：“亲爱的卡莱利，我希望你能和电报一起收到这封信。海洋拒绝了我，我明天将回到博洛尼亚的旅馆，旅途中或许会带着这封信。然后，我想放弃教学。别把我误认为是易卜生笔下的女主角，因为情况不一样。我会告诉你更多细节。”^[15]

马约拉纳在失踪前居住的旅馆中留下一封给父母的信，信上看着像是马约拉纳的自杀留言，即使死亡的字眼仅是在交代服装时提到。他写道：“我只有一个愿望：你们不要穿着黑衣。如果你们想遵从习俗，穿戴些丧葬的衣饰也无妨，但不要超过三天。之后，如果可以的话，就请在心里纪念我并原谅我。”^[16]

有人认为马略拉纳的失踪与精神信仰有关，他退居修道院。此种对马约拉纳信徒的看法来自于他的忏悔者Riccieri主教，作为主教，从卡塔尼亚去特拉帕尼时遇到了他。Riccieri在谈到自己的失踪时告诉我，Majorana经历了“神秘的危机”，在他看来，海上自杀是不可能的。受忏悔室神圣性的约束，他再也不能告诉我了。以马约拉纳的名字命名的埃里斯中心成立后，我有幸见到了马约拉纳的家中也没有人相信这是自杀。马约拉纳是一位天主教徒，此外，他在失踪前一周还从银行提取出存款。他的家人和其他认识他的人（费米的妻子劳拉是为数不多的几个人之一）都认为，他逃到了一座修道院。^[10]

当时警方推测认为马约拉纳已自杀，但他的家人却拒绝接受此推测，也没有要求警方遵循此类案件的惯例公布“推定死亡”的消息。此后便有各种传闻和猜测：有人说马约拉纳已经逃往阿根廷或纳粹德国，也有人说马约拉纳退隐于修道院，到1970年，有人声称在西西里和罗马看见成为流浪汉的马约拉纳。^[7]

马约拉纳的研究涉及了物理学的多个领域，他提出了马约拉纳费米子的概念，这是一种假想的粒子，它既是自己，也是自己的反粒子。^[17][18]此外，他还提出了马约拉纳方程，这是一组描述费米子量子态的方程。^[6][19]马约拉纳中微子是另一种假想的粒子，它是马约拉纳费米子的一种具体例子，理论上它是一种中性粒子，可以作为超新星中微子的一种解释。^[20]马约拉纳粒子是指一类具有特定量子场论属性的粒子。^[21]

理论物理学家狄拉克（Dirac）在1928年作出预言：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。在1937年，马约拉纳指出反转，提出他的预测：在一类被称为“费米子”的粒子（包括了质子、中子、电子、中微子和夸克）中，应该有一些粒子，自己就是自己的反粒子（即现代所称的“马约拉那费米子”）。不幸地是，马约拉纳在做出此猜测后在一次乘船旅行中神秘失踪。^[17][18]

狄拉克成为颇有名气的理论物理学家后，科学家们都甚是相信在世界上有粒子，必然会有反粒子。然而马约拉纳在出于好奇心的时候问，世界上会不会有一些粒子并没有反粒子。为此马约拉纳发明了马约拉纳方程，^[6]这个方程描写了有一种粒子没有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。^[19]

狄拉克方程预示了物质和反物质存在之后，很快马约拉纳就提出了“中微子可能符合左手物质，右手反物质定律；或者它‘同时’是物质和反物质”的可能性。^[22]

中微子是不带电的自旋1/2粒子，它可以具有马约拉纳质量。具有马约拉纳质量的中微子只需要一个手征量子场来描述。马约拉纳质量破坏中微子携带的轻子数，因而破坏标准模型的轻子数守恒规则。如果标准模型中微子是马约拉纳中微子，它将可以诱导致无中微子双β衰变。因而可以由无中微子双β衰变实验检验此类轻子数破坏效应。中微子可以同时具有马约拉纳质量和狄拉克质量。如果其马约拉纳质量占主导地位，这样的中微子就可以被称为准马约拉纳中微子。马约拉纳质量被应用于中微子跷跷板机制之中，为标准模型中微子极轻微质量的产生提供了一个简洁机制。^[20]

1937年，马约拉纳证明若中微子为其自身的反粒子，则β衰变理论的所有结果不变，因此有这种特性的粒子现在被称为马约拉纳粒子。^[21]

意大利物理学家恩里科·费米曾这样评价马约拉纳：“科学家分好几种，二流或三流的科学家尽他们最大努力仍行而不远，一流科学家则做出推动科学进步的重要发现，他们都是天才，比如伽利略和牛顿，当然还有马约拉纳。”^[24]

对于马约拉纳的失踪存在一定争议：1975年，作家夏侠出版《马约拉纳的失踪》，认为马约拉纳是由于天才的预见，意识到了即将发明的原子弹的危害，意识到了“物理学正走在错误的道路上”，出于悲伤选择逃离。^[25][26]1955年拍摄照片与马约拉纳早期存照对比图2008年，在马约拉纳失踪70年后，有人声称曾见过他，并展示了一张1955年拍摄的照片，经警方比对，照片与马约拉纳早年存照有10处相似点。^[4]2016年11月，意大利哲学家吉奥乔·阿甘本出版著作《什么是真实？——马约拉纳的消失之一》，从哲学角度探讨马约拉纳的离奇失踪事件。^[27][10]

马约拉纳的数学记忆能力所达到的程度是：只要马约拉纳在场，就没有人会费事用计算尺和笔算，只要问：“马约拉纳请告诉我1538的对数好不好？"或者问：“243的平方根乘以578的立方根等于多少?？"有一次，马约拉纳和费米比赛计算速度，费米用铅笔、纸和计算尺，而马约拉纳只用脑子计算，比赛结果是平局。^[28]

马约拉纳是一个内向的怪人，在乘电车前往大学的路上，常常思索难以攻克的问题的解答或实验事实之间的联系。他会用香烟盒上的纸潦草地写下一些数字，并在到达物理楼后，找费米和拉塞蒂阐述他的想法。然而，当费米建议将其发表时，埃托雷却退缩了，认为这只是小孩子的玩意儿，最终将写有数字的香烟包装纸扔进废纸篓里。^[29]

埃托雷·马约拉纳中心（CEM）所处的范围就在城镇埃里切之中，埃托雷·马约拉纳（意大利物理学家名）中心为一个文化和科学中心，在建立起的几十年中，每年都会举办一系列的为期一周左右的“暑期讨论班”。埃托雷·马约拉纳学校，为研究生和年轻教师与该领域的顶级科学家一起聚会的地方，也会经常举办科学领域重要热门话题的讲座。^[31]

安东尼诺·齐基基创建“埃托雷·马约拉纳基金会”（Ettore Majorana Foundatioin）和科学文化中心（Centerfor Scientific Culture），致力于志愿科学服务、清除秘密实验室以及科学自由。^[32]

2006年10月5日至6日，在卡塔尼亚举行了一次关于“Ettore Majorana的遗产和二十一世纪物理学”的国际会议，以纪念马约拉纳诞辰一百周年。^[33]