《賽先生》專稿:聽從內心的張首晟

據媒體報道,著名華人物理學家、斯坦福大學教授張首晟于美國當地時間2018年12月1日去世。

 

 

     張首晟是美籍華裔物理學家,美國科學院院士,中國科學院外籍院士。

 

     他在1963年2月15日出生于上海,1978年考入復旦大學。1980年赴德國柏林自由大學留學,1983年獲碩士學位。后赴美國紐約州立大學石溪分校深造,1987年獲博士學位。后在加州大學圣芭芭拉分校從事博士后研究。后前往IBM擔任高級研究人員。1993年起任教于斯坦福大學。1999年被聘為長江學者講座教授,任清華大學高等研究院客座教授。2004年出任IBM-斯坦福自旋電子學研究中心主任。

 

     早在2016年諾貝爾獎頒發給研究拓撲相變和拓撲材料的三位在英國出生、美國工作的科學家時,多位中國物理學家表示,張首晟在“量子自旋霍爾效應”理論預言和實驗觀測領域做出了開創性貢獻,也是諾貝爾獎的有力競爭者。

 

事業的杰出

 

     張首晟已經任教斯坦福大學物理系二十多年,還兼電子工程系和應用物理系教授。

 

     2006年,他做出了他一生迄今最重要的工作。

 

     這項最重要的工作并非他最初的專業方向,而是他交叉了兩個領域的結果。兼職清華大學的張首晟曾在斯坦福的北大中心介紹其研究,他與丁洪、田剛、饒毅在北京主持小型“科學與文化”論壇,聽眾中有物理學家如丁洪、北大物理學院院長謝心澄等,也有非物理的學者如清華的施一公等。

 

    “張首晟在凝固態物理學方面的主要成就有兩個,一個是拓撲絕緣體,一個是量子自旋霍爾效應”,丁洪介紹道,“拓撲絕緣體領域的一個特點是理論引導實驗。之前也有一些物理學家在做,但真正的理論引導實驗,是張和他的團隊是最先開始做的,先從兩維的拓撲絕緣體開始,再到三維。”

 

     拓撲絕緣體是近年凝聚態物理學興起的熱點領域,其中涉及許多重要的物理現象和物理機制,同時有著廣闊的應用前景。拓撲絕緣體是一種具有奇異量子特性的新物質狀態,它完全不同于傳統意義上的“金屬”和“絕緣體”,它是一種內部絕緣、界面導電的材料。這一預測很快就被德國的一個實驗室所證實了。

 

     關于“量子自旋霍爾效應”,張首晟曾介紹,“總的來講,我們發現了一個新的電子運動規律。電子運動本來是雜亂無章的,但現在我們能讓電子的運動就像高速路上的汽車一樣,分成不同的車道,各行其道,互不干擾。簡單的說,就是使得電子的運動更有效率,而且不會消耗很多的能量”。

 

     丁洪稱:“拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應,能在短短的幾年內產生,且能有社會效應,也是比較難得。2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,因為他們發現了石墨烯材料。我個人覺得還是拓撲絕緣體在理論方面的深度和廣度比石墨烯要強很多”。

 

     拓撲絕緣體有可能將信息社會帶到更高層次,甚至會帶來一場產業革命。“基礎物理與霍金研究的宇宙深處的奧秘一樣,跟日常生活沒有太大關系,但我們的科學靈感有可能在今后五至十年內真正改變我們的生活。如果有一天,我們的努力從根本上改變了人類社會,那將是對科學家最高的獎勵”,張首晟曾說。

 

人生的選擇

 

    拓撲是非常抽象的數學原理,絕緣體是非常枯燥的材料,它們可以合成一個詞——拓撲絕緣體。對張首晟來說,靈光一閃并不是他工作的常態,在科學研究的過程中,他時常感覺自己進入了一個死胡同、或者工作沒有任何進展,這對他來說,是一種工作的常態。

 

     曾幾何時,年輕的張首晟對自己的事業很困惑。作為公派留學生,畢業后必須回國工作。張首晟本科學的是理論物理,在國內有所建樹的機會很少,朋友們紛紛建議他學一些有用而務實的學科,比如工程方面的,比較有用、且在國內就業的機會也多。“一個中國人在那里,什么生存之道最好,可能就變成了我自己的生存之道。”一位海歸出身的投資界大腕曾如此點評自己在人生關鍵的節點的選擇,他放棄了自己成為一個偉大數學家的夢想,去了華爾街。

 

     面對現實,彼時即將從德國大學畢業的張首晟曾經動搖從事科學的信念。

 

     但造訪大學城哥廷根后,張首晟聽到了自己內心的呼喚,決定堅守科學。這個小鎮長眠了“數學王子”高斯、提出23個問題的數學家希爾伯特、放射化學家和物理學家奧托·哈恩……年僅18歲的張首晟看著墓碑大多上面都刻了一個簡單公式,公式涵蓋了他們一生對科學的貢獻和關于科學的精華思想。在萊納河西岸的城市公墓,鮮花和水池之旁,這些偉大的靈魂伴著東岸教堂的鐘聲靜靜地沉睡。格林童話記錄了“井旁的牧鵝姑娘”,海涅從這里出發,寫出膾炙人口的《哈茨山游記》。而這個小鎮對張首晟也很重要,他思考他的人生。“什么叫人生,人生到底要留下來什么……除了留下我們的基因,這些人留下來都是最精華的信息,對整個人類文明來說都是一種驕傲,這對我非常大的一個震撼,我覺得我要devote我所有的自己的生命,為人類的科學做出一些貢獻”,2012年張首晟對國立臺灣大學的學生如是說。

 

     張首晟認為,物理學的最高目標是將愛因斯坦揭示的宇宙四大力統一起來,而楊振寧先生在這方面頗有建樹,師從楊振寧念研究生是張首晟的目標。

 

     畢業于柏林自由大學后,張首晟到美國紐約州立大學石溪分校,如愿成為楊振寧的弟子。但楊振寧讓張首晟大惑不解:楊不支持他從事統一場論或基本粒子物理研究,而是向他推薦了凝聚態物理,楊振寧本人的研究方向也并不在此。

 

     多年后,張首晟才明白了楊振寧當初的用心,一般來說老師總是希望學生能夠發展自己的研究領域,楊振寧先生卻建議張首晟從事其他領域的研究。而今天凝聚態物理在物理學領域中發展得最快,這讓人不得不佩服楊振寧三十年前精準的眼光。張首晟曾懷著感恩之心,長篇描述楊振寧對自己研究的其他幫助和教誨。

 

     1987年,張首晟獲博士學位后到IBM研究中心工作,他在半導體物理領域頗有建樹,受到諾獎得主、美國能源部長朱棣文的賞識。1993年,張首晟加盟斯坦福大學物理系。1996年,年僅33歲的他成為終身教授,是斯坦福大學最年輕的正教授之一。

 

閣樓的起步

 

     張首晟的3歲到13歲,是中國的文革十年。張首晟的父親是學工程的,伯父學人文。積著厚厚灰塵的閣樓成為他的藏寶閣。年幼的張首晟是個內向的小孩,白天在教室里被迫學習各類印著領袖語錄和最高指示的課本,回到家里,則一頭扎在閣樓上,看各種各樣的“怪書”,《西方哲學史》、《西方藝術概論》……

 

     對張首晟來說,他的啟蒙不是科學,而是藝術和哲學。在那個讀書無用論、是非顛倒、黑白不分的年代,喜歡讀書的孩子反而會被輕視,而張首晟對讀書的渴求完全來自于內心的驅動。“現在回顧我的一生,我覺得當時這個時代其實對我起了非常重大的作用,我有著極強的自學能力,我的一些研究之所以能夠成功,是在不同的學科在交叉里面能夠很快的運作”。

 

     1976年,父親給張首晟買了一套自學叢書,其中包括數學、物理等科目。第二年,高考正式恢復。對當時初三在讀的張首晟而言,恢復高考本應關系不大。但是,那年上海允許初中畢業生直接參加高考,每個區僅限10個名額,參加高考的初中畢業生需要參加預賽,通過后方能獲得高考資格。

 

     不過,一旦落榜,張首晟就會失去升高中的資格。這一次冒險也完全改變了他的命運:“我的初中學校很差,如果按部就班再讀普通高中,也許結果就和今天不一樣了,人生的成就總是跟你一些十字路口上的選擇有關。”他曾感嘆。

 

     1978年9月,復旦大學物理系迎來了一位少年大學生。“初中時,在很封閉的情況下,我們都知道楊振寧、李政道獲諾貝爾獎。大學時選擇理論物理專業,就是沖著他們榜樣的力量”。走進物理系,距離偶像又近了一步,不過當年的他不可能想到,與楊振寧的緣分遠不止如此。

 

     大一第二學期的一天,張首晟正在宿舍里,班主任突然上門,告知他將被選派前往德國柏林大學繼續本科學業。張首晟對德國最初的印象來自閣樓的書籍,知道它是康德、黑格爾的祖國。學了物理以后,發現教科書上重要的物理公式很多都是德國物理學家的貢獻,去德國留學對他來說像做夢一樣。

 

     柏林大學的學制為五年,有些人甚至要七年才能畢業。但憑借自學能力和超人的勤奮,年輕的張首晟花了三年時間就完成了學業。學習之余,他還涉獵德國和歐洲的人文歷史。

 

家庭的美滿

 

     張首晟的妻子余曉帆,是他父親朋友的女兒。

 

     他們正是青梅竹馬。

 

     張首晟近年為妻子過生日舉行宴會,對美麗的妻子贊不絕口,并拿出她年輕時的照片和他年輕時給她寫的詩:遠赴德國留學的張首晟,不僅情書連連,而且詩情迸發。

 

     余曉帆到美國后在石溪紐約州立大學念研究生,曾在IBM工作,后教數學。

 

     張首晟在“尤里基礎物理學前沿獎”領獎時表示,他于2012年12月5日接到獲獎通知,正好是他和夫人結婚25周年的紀念日,“這是我們銀婚紀念的最好禮物”。

 

     張首晟的科學突破是在為家人服務時發生的:2006年的一天,余曉帆去探望生病的朋友,張首晟難得為子女在自家后院燒烤,同時思考自己的研究,迸發出靈感。

 

     他們的子女也很優秀,兒子在哈佛念物理,女兒剛上斯坦福的一年級。兒子在數學方面已顯示過人的稟賦,還參加過國際物理奧林匹克競賽。

 

     可見,張首晟常對學生談“物理那么有趣、那么引人入勝”,首先激發了自己的孩子對自然、對科學的愛好。

 

     2015年,張首晟曾收到一份特殊的圣誕禮物——1729年出版的英文首版Principia。這是迄今在古藏書市面上唯見的一本,收藏在英國倫敦的著名古藏書店Peter Harrington。彼時的他這樣寫道:

 

今夜親手翻開牛頓首版Principia的千年偉著,深感斯人已去,英魂長存,每句每辭,都在喚醒我少年時代的夢想。今夜手按Principia莊嚴而立志,為追求大統一的萬物理論而貢獻。填補先賢們留下的空白,是我們這輩學子們的最神圣使命,也是全人類最崇高的夢想。為實現這個美麗的夢想,我們必須穿越時空,量子糾纏,潛入普朗克長度的萬丈深淵,高攀普朗克能量的奇險頂峰。路漫漫其求修遠兮,吾將上下而求索!

 

夜半鐘聲,皓月當空。百年孤獨的求知旅程,今有千年Principia的步步相伴。黎明既啟,征途既始,此時此刻,按書立志,賦詩為證:

 

既然無法抵擋她萬有的吸引,

為何不遨游星際而時時相伴?

 

既然為量子因果而糾纏綿綿,

為何不心心相印寄在水一方?

 

既然追不上她永恒不變的步伐,

為何不對鏡賞花以光傳因緣?

 

既今見英魂長存于行行字跡,

又何懼漫漫征途中淵深峰險?

摘自:賽先生

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