听从内心的张首晟

来源：赛先生

据媒体报道，著名华人物理学家、斯坦福大学教授张首晟于美国当地时间2018年12月1日去世。

张首晟是美籍华裔物理学家，美国科学院院士，中国科学院外籍院士。

他在1963年2月15日出生于上海，1978年考入复旦大学。1980年赴德国柏林自由大学留学，1983年获硕士学位。后赴美国纽约州立大学石溪分校深造，1987年获博士学位。后在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。后前往IBM担任高级研究人员。1993年起任教于斯坦福大学。1999年被聘为长江学者讲座教授，任清华大学高等研究院客座教授。2004年出任IBM－斯坦福自旋电子学研究中心主任。

早在2016年诺贝尔奖颁发给研究拓扑相变和拓扑材料的三位在英国出生、美国工作的科学家时，多位中国物理学家表示，张首晟在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域做出了开创性贡献，也是诺贝尔奖的有力竞争者。

阁楼的起步

张首晟的3岁到13岁，是中国的文革十年。张首晟的父亲是学工程的，伯父学人文。积着厚厚灰尘的阁楼成为他的藏宝阁。年幼的张首晟是个内向的小孩，白天在教室里被迫学习各类印着领袖语录和最高指示的课本，回到家里，则一头扎在阁楼上，看各种各样的“怪书”，《西方哲学史》、《西方艺术概论》……

对张首晟来说，他的启蒙不是科学，而是艺术和哲学。在那个读书无用论、是非颠倒、黑白不分的年代，喜欢读书的孩子反而会被轻视，而张首晟对读书的渴求完全来自于内心的驱动。“现在回顾我的一生，我觉得当时这个时代其实对我起了非常重大的作用，我有着极强的自学能力，我的一些研究之所以能够成功，是在不同的学科在交叉里面能够很快的运作”。

1976年，父亲给张首晟买了一套自学丛书，其中包括数学、物理等科目。第二年，高考正式恢复。对当时初三在读的张首晟而言，恢复高考本应关系不大。但是，那年上海允许初中毕业生直接参加高考，每个区仅限10个名额，参加高考的初中毕业生需要参加预赛，通过后方能获得高考资格。

不过，一旦落榜，张首晟就会失去升高中的资格。这一次冒险也完全改变了他的命运：“我的初中学校很差，如果按部就班再读普通高中，也许结果就和今天不一样了，人生的成就总是跟你一些十字路口上的选择有关。”他曾感叹。

1978年9月，复旦大学物理系迎来了一位少年大学生。“初中时，在很封闭的情况下，我们都知道杨振宁、李政道获诺贝尔奖。大学时选择理论物理专业，就是冲着他们榜样的力量”。走进物理系，距离偶像又近了一步，不过当年的他不可能想到，与杨振宁的缘分远不止如此。

大一第二学期的一天，张首晟正在宿舍里，班主任突然上门，告知他将被选派前往德国柏林大学继续本科学业。张首晟对德国最初的印象来自阁楼的书籍，知道它是康德、黑格尔的祖国。学了物理以后，发现教科书上重要的物理公式很多都是德国物理学家的贡献，去德国留学对他来说像做梦一样。

柏林大学的学制为五年，有些人甚至要七年才能毕业。但凭借自学能力和超人的勤奋，年轻的张首晟花了三年时间就完成了学业。学习之余，他还涉猎德国和欧洲的人文历史。

事业的杰出

张首晟已经任教斯坦福大学物理系二十多年，还兼电子工程系和应用物理系教授。

2006年，他做出了他一生迄今最重要的工作。

这项最重要的工作并非他最初的专业方向，而是他交叉了两个领域的结果。兼职清华大学的张首晟曾在斯坦福的北大中心介绍其研究，他与丁洪、田刚、饶毅在北京主持小型“科学与文化”论坛，听众中有物理学家如丁洪、北大物理学院院长谢心澄等，也有非物理的学者如清华的施一公等。

“张首晟在凝固态物理学方面的主要成就有两个，一个是拓扑绝缘体，一个是量子自旋霍尔效应”，丁洪介绍道，“拓扑绝缘体领域的一个特点是理论引导实验。之前也有一些物理学家在做，但真正的理论引导实验，是张和他的团队是最先开始做的，先从两维的拓扑绝缘体开始，再到三维。”

拓扑绝缘体是近年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时有着广阔的应用前景。拓扑绝缘体是一种具有奇异量子特性的新物质状态，它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”，它是一种内部绝缘、界面导电的材料。这一预测很快就被德国的一个实验室所证实了。

关于“量子自旋霍尔效应”，张首晟曾介绍，“总的来讲，我们发现了一个新的电子运动规律。电子运动本来是杂乱无章的，但现在我们能让电子的运动就像高速路上的汽车一样，分成不同的车道，各行其道，互不干扰。简单的说，就是使得电子的运动更有效率，而且不会消耗很多的能量”。

丁洪称：“拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应，能在短短的几年内产生，且能有社会效应，也是比较难得。2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，因为他们发现了石墨烯材料。我个人觉得还是拓扑绝缘体在理论方面的深度和广度比石墨烯要强很多”。

而拓扑绝缘体有可能将信息社会带到更高层次，甚至会带来一场产业革命。“基础物理与霍金研究的宇宙深处的奥秘一样，跟日常生活没有太大关系，但我们的科学灵感有可能在今后五至十年内真正改变我们的生活。如果有一天，我们的努力从根本上改变了人类社会，那将是对科学家最高的奖励”，张首晟曾说。

人生的选择

拓扑是非常抽象的数学原理，绝缘体是非常枯燥的材料，它们可以合成一个词——拓扑绝缘体。对张首晟来说，灵光一闪并不是他工作的常态，在科学研究的过程中，他时常感觉自己进入了一个死胡同、或者工作没有任何进展，这对他来说，是一种工作的常态。

曾几何时，年轻的张首晟对自己的事业很困惑。作为公派留学生，毕业后必须回国工作。张首晟本科学的是理论物理，在国内有所建树的机会很少，朋友们纷纷建议他学一些有用而务实的学科，比如工程方面的，比较有用、且在国内就业的机会也多。“一个中国人在那里，什么生存之道最好，可能就变成了我自己的生存之道。”一位海归出身的投资界大腕曾如此点评自己在人生关键的节点的选择，他放弃了自己成为一个伟大数学家的梦想，去了华尔街。

面对现实，彼时即将从德国大学毕业的张首晟曾经动摇从事科学的信念。

但造访大学城哥廷根后，张首晟听到了自己内心的呼唤，决定坚守科学。这个小镇长眠了“数学王子”高斯、提出23个问题的数学家希尔伯特、放射化学家和物理学家奥托·哈恩……年仅18岁的张首晟看着墓碑大多上面都刻了一个简单公式，公式涵盖了他们一生对科学的贡献和关于科学的精华思想。在莱纳河西岸的城市公墓，鲜花和水池之旁，这些伟大的灵魂伴着东岸教堂的钟声静静地沉睡。格林童话记录了“井旁的牧鹅姑娘”，海涅从这里出发，写出脍炙人口的《哈茨山游记》。而这个小镇对张首晟也很重要，他思考他的人生。“什么叫人生，人生到底要留下来什么……除了留下我们的基因，这些人留下来都是最精华的信息，对整个人类文明来说都是一种骄傲，这对我非常大的一个震撼，我觉得我要devote我所有的自己的生命，为人类的科学做出一些贡献”，2012年张首晟对国立台湾大学的学生如是说。

张首晟认为，物理学的最高目标是将爱因斯坦揭示的宇宙四大力统一起来，而杨振宁先生在这方面颇有建树，师从杨振宁念研究生是张首晟的目标。

毕业于柏林自由大学后，张首晟到美国纽约州立大学石溪分校，如愿成为杨振宁的弟子。但杨振宁让张首晟大惑不解：杨不支持他从事统一场论或基本粒子物理研究，而是向他推荐了凝聚态物理，杨振宁本人的研究方向也并不在此。

多年后，张首晟才明白了杨振宁当初的用心，一般来说老师总是希望学生能够发展自己的研究领域，杨振宁先生却建议张首晟从事其他领域的研究。而今天凝聚态物理在物理学领域中发展得最快，这让人不得不佩服杨振宁三十年前精准的眼光。张首晟曾怀着感恩之心，长篇描述杨振宁对自己研究的其他帮助和教诲。

1987年，张首晟获博士学位后到IBM研究中心工作，他在半导体物理领域颇有建树，受到诺奖得主、美国能源部长朱棣文的赏识。1993年，张首晟加盟斯坦福大学物理系。1996年，年仅33岁的他成为终身教授，是斯坦福大学最年轻的正教授之一。

家庭的美满

张首晟的妻子余晓帆，是他父亲朋友的女儿。

他们正是青梅竹马。

张首晟近年为妻子过生日举行宴会，对美丽的妻子赞不绝口，并拿出她年轻时的照片和他年轻时给她写的诗：远赴德国留学的张首晟，不仅情书连连，而且诗情迸发。

余晓帆到美国后在石溪纽约州立大学念研究生，曾在IBM工作，后教数学。

张首晟在“尤里基础物理学前沿奖”领奖时表示，他于2012年12月5日接到获奖通知，正好是他和夫人结婚25周年的纪念日，“这是我们银婚纪念的最好礼物”。

张首晟的科学突破是在为家人服务时发生的：2006年的一天，余晓帆去探望生病的朋友，张首晟难得为子女在自家后院烧烤，同时思考自己的研究，迸发出灵感。

他们的子女也很优秀，儿子在哈佛念物理，女儿刚上斯坦福的一年级。儿子在数学方面已显示过人的禀赋，还参加过国际物理奥林匹克竞赛。

可见，张首晟常对学生谈“物理那么有趣、那么引人入胜”，首先激发了自己的孩子对自然、对科学的爱好。

2015年，张首晟曾收到一份特殊的圣诞礼物——1729年出版的英文首版Principia。这是迄今在古藏书市面上唯见的一本，收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。彼时的他这样写道：

今夜亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著，深感斯人已去，英魂长存，每句每辞，都在唤醒我少年时代的梦想。今夜手按Principia庄严而立志，为追求大统一的万物理论而贡献。填补先贤们留下的空白，是我们这辈学子们的最神圣使命，也是全人类最崇高的梦想。为实现这个美丽的梦想，我们必须穿越时空，量子纠缠，潜入普朗克长度的万丈深渊，高攀普朗克能量的奇险顶峰。路漫漫其求修远兮，吾将上下而求索！

夜半钟声，皓月当空。百年孤独的求知旅程，今有千年Principia的步步相伴。黎明既启，征途既始，此时此刻，按书立志，赋诗为证：

既然无法抵挡她万有的吸引，
为何不遨游星际而时时相伴？

既然为量子因果而纠缠绵绵，
为何不心心相印寄在水一方？

既然追不上她永恒不变的步伐，
为何不对镜赏花以光传因缘？

既今见英魂长存于行行字迹，
又何惧漫漫征途中渊深峰险？

背景阅读：曾被称为离诺奖最近的人

张首晟被称作华人科学家里离诺贝尔奖最近的人选之一。

2014年，中科院物理所研究员丁洪曾在预测诺贝尔奖得主时表示，张首晟很有可能摘得诺奖。

1987年张首晟博士毕业时与杨振宁的合影

张首晟领导的团队2006年提出了“量子自旋霍尔效应”，将其基于芯片业未来提出的新构想——通过控制电子自旋运动来降低能耗——在理论上完成了预言。2007年，张首晟发现的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一。

美国科学家埃德温·霍尔在19世纪末发现，通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90°，这被称作霍尔效应。1980年，科学家又发现在极低温和强磁场条件下，霍尔效应呈现电子按顺时针沿导体边缘运动的现象，这就是量子霍尔效应。与无序运动导致热量产生相比，电子保持秩序状态则几乎没有能量损耗，由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。

但是，量子霍尔效应需要苛刻的条件。张首晟设想，能否在正常条件下，让电子跳舞从杂乱无章的迪斯科到井然有序的集体舞。他研究发现，电子如同地球自转一样，有一种叫做自旋的基本特性，自旋向上的沿逆时针运动，自旋向下的沿顺时针运动。这种自旋也会产生量子霍尔效应，这就是量子自旋霍尔效应。它不仅没有能量损耗，并且不需要强磁场，也可在室温环境下实现。

他摘得了诸多重量级奖，比如欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖，还获得了富兰克林奖章。

2017年7月，张首晟与其他几位华人科学家宣布发现马约拉那费米子，并将其命名为“天使粒子”。张首晟今年1月接受科技日报记者采访时介绍，“天使粒子”将有助于量子计算机的研发。他当时透露，正在规划在该领域与国内高校进行更深入合作。

“天使粒子”的发现引发公众极大关注，但也因为媒体的表述一度引发了争议。

实际上，这项实验由由加州大学洛杉矶分校的王康隆团队（UCLA Device Research Lab (Kang Wang Group)）主导，上海科技大学合作，并由加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校协助、斯坦福大学团队的参与。实验中观测到了马约拉纳费米子模存在的证据，同时又极大程度上排除了其他因素的影响，成为马约拉纳准费米子存在的有力证据。

标准物理理论模型中，12种基本粒子被分成两大家族：电子、质子等8种粒子组成的费米子家族和光子、介子等4种粒子组成的玻色子家族。一般认为，每一种粒子都有其反粒子，且状态与粒子本身相反，粒子与反粒子相遇会瞬间湮灭。
但1937年，埃托雷·马约拉纳预言，有一类特殊的费米子，像光子等玻色子一样，它们的反粒子就是自身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。

研究论文共同一作、加州大学洛杉矶分校的潘磊指出，所谓的发现天使粒子，并不是真正发现了马约拉纳费米子，而是发现了符合马约拉纳费米子性质的激发态。

马约拉纳费米子被认为是制造量子计算机的完美选择。只要符合马拉约那费米子的性质，就可以用来实现拓扑量子计算。拓扑量子计算机对外在噪声的抵抗力比普通量子计算机更强，更具鲁棒性。研究人员也表示，探测到这种粒子后，他们可以制备出电子芯片，实现基于这一粒子为基础的拓扑量子计算机电脑芯片。

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