張首晟的動心與永劫:上方舟前,留給世界的最後幾句話

來源: 2019-01-12 21:56:16 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (80381 bytes)

2018年12月1日,美國華裔物理學家張首晟教授去世,終年55歲。

12月1日是世界艾滋病日,是人民幣日,巧合的是,在張首晟教授去世的這一天,12月1日還發生了另外兩件大事,引爆輿論,至今還在發酵,於是陰謀論滿天飛。

究竟真相如何,也許還需要進一步觀察,也許就此成謎。

而美圖,區塊鏈,丹華資本,千人計劃,抑鬱症,美“301”調查報告,甚至一些敏感詞,瞬間成了熱詞。

 

熱鬧之中,似乎大家都不再記得,張首晟其實是一個天才, 而且是對科學做出巨大貢獻的華人天才。

01.

張首晟就是我們父母口中常常說的“別人家的孩子”。

1963年,張首晟出生在上海。每一個人的童年都有一個閣樓。

在那個文革大潮席卷了中國的時代,張首晟的閣樓比我們的更奇妙,從康德到黑格爾,從達芬奇到羅丹,從楊振寧到李政道,從藝術到科學…… 閣樓的藏書點亮了一個天才的童年。

14歲,初中還沒畢業,中斷了10年的高考恢複,張首晟花了一個暑假的時間來學習,教材是父親給他的一套數理化自學叢書。然後他就考上了大學,而且是中國頂尖的大學,複旦大學。

那年高考改變了很多人的命運,包括張首晟。

15歲,他就進入了他爺爺曾經待過的地方,複旦大學並選擇了物理係。隻因為“初中時,在很封閉的情況下,我們都知道楊振寧、李政道獲得諾貝爾獎,為中華民族爭了一口氣。大學時選擇理論物理專業,就是衝著他們的榜樣力量。”

16歲時,他在大學剛剛呆了一年,很多年後,許多這樣的新生剛剛軍訓回來,而他由於成績優異,他被選中公派去德國柏林大學。此時他沒有高中文憑也還沒大學文憑。

20歲時,他僅僅花了三年,就在德國柏林自由大學取得了碩士學位。

同年,如願以償來到美國紐約州立大學石溪分校,師從自己的偶像家楊振寧攻讀博士學位。

 

32歲時,他被聘為斯坦福大學正教授,成為該校最年輕的終身教授之一。

2007年,張首晟發現的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜誌評為當年的“全球十大重要科學突破”之一。

由於在拓撲絕緣體等領域上的傑出貢獻,他包攬物理界所有重量級獎項,包括古根海姆基金獎(2007年)、洪堡研究獎(2009年)、歐洲物理獎(2010年)、求是傑出科學家獎(2011年)、美國物理學會巴克萊獎(2012年)、狄拉克獎章(2012年)、尤裏基礎物理學獎(2013)和富蘭克林獎章(2014)。

 

2017年7月21日,張首晟及其團隊在《科學》雜誌宣布:在整個物理學界曆經80年探索之後,他們終於發現了手性馬約拉納費米子的存在,並將其命名為「天使粒子」。

2013年,張首晟從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應,這項成果也被認為屬於“諾獎級”。

從2014年起他開始成為諾貝爾物理學獎的熱門候選人,那年他獲選 “湯森路透引文桂冠獎”,被外界視為諾貝爾物理學獎的最有希望人選。

楊振寧不無得意地評價他的愛徒:“他獲得諾貝爾獎隻是時間問題。”

02

楊振寧說:“在最高的境界上,科學跟藝術,科學跟美,主觀、客觀是統一在一起的,F=ma、E=mc² 就是描寫大自然的最美麗的詩句。” 張首晟認為他的導師帶他進入了一個書本上學不到的境界:為美所驅追求科學

張首晟一直提到:人類文明的價值是大道至簡,他認為把大道用簡單的話講出來,讓人人都聽懂,這才是真正牛的

他最喜歡講的故事是關於狄拉克的:

4的根號等於幾?很簡單,2和-2,英國理論物理學家、量子力學的奠基者之一狄拉克初中時,就覺得這個回答非常非常奇妙,為什麽開根號的時候總是有一個正根,有一個負根?

狄拉克突然從開根號開始天馬行空,做了個驚人的預言,斷定宇宙中所有的基本粒子,都有個反粒子,有電子就有反電子,有質子就有反質子,有中子就有反中子,這是個非常非常神奇的預言。

1932年C.D.安德森實驗發現了正電子。

1956年美國物理學家張伯倫在勞倫斯-伯克利國家實驗室發現了反質子,他用玻璃管中的被粒子加速器加速過的高能粒子對相撞,發現在突然間成對出現了幾道軌跡,又在短時間內相撞而互相湮滅,這是人們第一次直接觀測到反粒子。

迄今,已經發現了幾乎所有相對於強作用來說是比較穩定的粒子的反粒子。 如果反粒子按照通常粒子那樣結合起來就形成了反原子。由反原子構成的物質就是反物質。

這樣,狄拉克的天才預言被實驗證實了,那麽,有沒有反例呢?宇宙中會不會存在一類沒有反粒子的粒子,或者說正反同體的粒子?

意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉那(Ettore Majorana)在1937年,從理論上提出了這樣的粒子存在,即我們今天所稱的馬約拉那費米子,它的反粒子就是它本身。但是不幸而且巧合的是,他在提出這種神奇粒子存在不久後,到巴勒莫乘船旅行中神秘失蹤,從此渺無音信。

從那時開始,這一神奇粒子成為了物理學家們無時不想追尋的夢中情人,困擾了物理學界整整80年。

張首晟把突破口轉向凝聚態物理。2017年7月,張首晟及其團隊在《科學》雜誌上發表了一項新發現,在超導-量子反常霍爾平台中發現了具有半個量子電導的邊緣電流,與理論預言的手性馬約拉納粒子十分吻合。這是在霍爾效應平台係統中第一個具有確鑿證據的馬約拉納測量結果。

張首晟將這一新發現的手性馬約拉那費米子命名為“天使粒子”,這個名字來源於丹·布朗的小說及其電影《天使與魔鬼》。“這部作品描述了正反粒子湮滅爆炸的場景。過去我們認為有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我們找到了一個沒有反粒子的粒子,一個隻有天使,沒有魔鬼的完美世界”張首晟說。

這也使得張首晟再度成為2017年諾貝爾物理學獎的熱門人選,雖然最終再度落選。

當然也存在一些質疑,比如中山大學天文與空間科學研究院院長李淼對此評價說:“這個發現不是基本粒子,而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態,這個態滿足中性粒子的要求,即其反態就是自身。鑒於這種量子態需要極端條件,距離應用還比較遠,如果我用一句大白話來解釋,就是“凝聚態物理還沒有攻陷粒子物理”。“

簡單地說,馬約拉納準粒子的證實必須找到更令人信服的證據,馬約拉那費米子還隻能繼續是物理學家們的情人,夢中的。

大道至簡,張首晟也經常用一些易懂的例子來解釋自己的研究。他這樣解釋摩爾定律會失效:“電子在芯片裏的運動,就像一輛輛跑車在集市裏行駛,不斷地碰撞,產生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上,時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產生的熱量,導致摩爾定律將失效。”

怎樣才能讓“電子跑車”不相互碰撞?張首晟提出了“電子高速公路”方案,拓撲絕緣體就是可以讓電子單向行駛而不發生碰撞的“電子高速公路”,可以將計算機的計算極限約提高一倍。

《生活大爆炸》裏謝爾頓為了炫耀學識,在一次課堂上高冷地問學生:“誰知道什麽是拓撲絕緣體?”在天才謝爾頓心裏,這是理論物理學最高深的部分,而這是張首晟創造的詞匯,在物理學屬於一個重要的前沿領域。

 

這個領域最初的開創者戴維·索利斯等人獲得了2016年的諾貝爾物理學獎, 當年,張首晟也是大熱門,隻是當時他還年輕,雖然公認他做出的貢獻也足以得獎,但是顯然諾獎委員會覺得他將來還有時間。

可惜的是,已不幸辭世的這位華人天才再也無法摘得諾獎了。

但也有許多驚豔絕世的天才,比如特斯拉,比如馮.諾依曼,也終生未得諾獎。

對於真正的天才,他們又何需用諾獎來證明他們的偉大?

03

張首晟最愛的詩句是:一沙一世界,一花一天堂。雙手握無限,刹那是永恒。這首節選自威廉·布萊克的名作《天真的預言 Auguries of Innocence》,很多文學大家都翻譯過這首詩,比如李叔同、徐誌摩、梁宗岱。 中國人的心中都追尋著這樣的一個刹那,永恒,無限,天堂。

與許多科學家不同,張首晟其實是文科生出身,他的啟蒙教育都是曆史、哲學以及藝術等,他骨子裏是個文藝青年。而他恰恰認為,正是這樣的經曆對他的研究產生了非常重大的影響:

你做理論物理,你的推導能力比較好,你做實驗物理,你操作儀器的能力比較好。到了一定的層次,這種厲害的人已經多如牛毛。但是為什麽最終有些人能夠更上一層樓,這個決定因素其實超出了物理的知識範疇,就是需要具有一種品位,因為大家能力都很接近,都在競爭,麵前比如說都擺著十條路,然後我選擇這條路,你選擇另外一條。最後的結果一般是隻有一個人成功,而且往往從技術層麵上說,最後成功的這個人並不一定那麽厲害,他成功是因為他選擇了對的方向。所以從這個觀點來看的話,其實科研和藝術就非常像,就是一種品味;這跟曆史也比較像,就好像我們在曆史關頭,到底要做怎麽樣的決定。所以這些看得多了,對於你在這個選擇關頭,可能會有些幫助。可能這些選擇看似偶然,其實是一個知識長期積累的結果。

誰的大學不迷茫? 尤其是文藝青年,大學畢業後,張首晟也曾為前途迷茫過,後來在一次旅行中,張首晟來到哥廷根大學附近的一片墓地,很多德國著名科學家們長眠於此,如“數學王子”高斯、馮.諾依曼的導師大數學家大衛.希爾伯特……在墓園裏,科學家們的墓碑十分簡單,除了名字、日期,墓誌銘都鐫刻著其生前發現的一道重要公式, 如海森堡的墓誌銘是測不準原理的公式,馬克斯•玻恩是其對波函數概率的一個分析((pq - qp = h/2πi)),奧托·哈恩的墓碑上是一道核反應公式。

 

他印象最深的是大衛.希爾伯特的墓碑,墓碑隻引用了他的一句名言,“WIR MUSSEN WISSEN, WIR WERDEN WISSEN”,翻譯過來就是“我們必須了解,我們必會了解”。

(大衛·希爾伯特我們在馮.諾依曼係列中介紹過,再複習一次:大衛·希爾伯特可是當時數學武林的盟主,他的二十三問,名震天下,被認為是20世紀數學的至高點,屈原的天問也隻能甘拜下風,其中第八問黎曼猜想、哥德巴赫猜想和孿生素數問題依然是數學界一大懸案。)

張首晟說他被深深地震撼了:“一個樸素的墓碑,一個簡單而普適的公式,這才是人生最高境界。從此之後,我決定要把自己畢生的精力貢獻給物理學研究,特別是理論物理學的研究。”

他說再也不去考慮“掙多少錢”的問題了。

然後他也這樣身體力行了十幾年,十年寒窗,張首晟身處美國頂尖院校的象牙塔深處,研究凝聚態理論物理,拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應、這樣的艱深理論。

他堅信物理的最基本法則應該是被數學的美感所激發。一沙一世界,一花一天堂,那應該是很美好純真的年代。也正是有著這樣的純真,他的成就才能如此驚人。

然而滾滾紅塵,人世繁華,誰又能真正抵擋得住誘惑?

魔鬼又帶他上了一座最高的山,將世上的萬國與萬國的榮華都指給他看,對他說,你若俯伏拜我,我就把這一切都賜給你。

李叔同對他最喜歡的威廉·布萊克的名作《天真的預言 Auguries of Innocence》的翻譯是:君掌盛無邊, 刹那含永劫 。

這刹那的轉念,一時的動心,也許真的就含著永劫。

VMware,丹華資本,天使投資……當局者在這些金穀繁華的時刻,誰能真正解得透個中的迷局?

繁華事散逐香塵,流水無情草自春。

多希望那個閣樓中的天才少年,出走半生,歸來仍是少年。

04

“為什麽我們的學校總是培養不出傑出人才?”這就是著名的“錢學森之問”。

“假設世界末日到了,諾亞方舟上隻能夠帶個信封以總結所有人類知識,那你們會寫下什麽?” 這是張首晟之問。

“錢學森之問”是關於中國教育事業發展的一道艱深命題。

“張首晟之問”是關於人類至今最主要的認知學科領域和成就。

 

自然界三大基本常數;

萬物都是由原子構成;

歐幾裏得幾何公理;

自然選擇、適者生存;

人人生來平等;

讓自由之風吹拂;

筆勝於劍;

隱形之手;

大道至簡;

自然界基本常數

 

作為一個物理學家,我覺得人類文明最高的建樹還是科學真理。科學真理最重要的是兩點,一是能量,二是信息。

對能量最深刻的認識來愛因斯坦,就是E=mc²,如果總結人類最知名的公式,這是首選。大家說物質本身也很重要,但是通過E=mc²,就發現物質和能量是一回事。

對信息的認識,是人類對大自然最重要的認識。怎麽描寫和衡量信息,也有一個非常奇妙信息熵的公式:S=-p log p。

這個公式不像E=mc²那麽知名,但愛因斯坦說過一句話:等到人類的知識往前推進,牛頓力學可能不對,量子力學可能不對,相對論可能也不對,但信息熵的公式是永恒的。

我們這個時代,可能覺得科學萬能,但第三個公式告訴我們,科學不是萬能的。科學的偉大,在於能夠告訴人類,科學的界限在哪兒。

這就是量子力學的海森堡測不準原理,科學有一個永遠不能跨過的界限,你不可能把一個粒子的位置,和它的重量,或者它的速度,同時精準地測量出來。

哲學上講,客觀世界完全獨立於主觀世界的存在,但是這是個偽命題,並不是真正存在的。

真正能觀察到的,是客觀和主觀之間的結合,由於觀察者和被觀察的世界相互作用,我們不可能無窮精準地把客觀世界了解清楚。

這是第三個公式的偉大,因為它不隻是講了一個科學的原理,更說明了一個哲學的原理,告訴我們客觀的世界和主觀的世界,不能完全割裂。

萬物都是由原子構成

 

人類的文明不隻局限於科學,還有哲學,政治,法律??如果用一句話來描寫整個世界裏,最值得告訴下一代的話,就是「萬物都是由原子構成」。

譬如中醫講「氣」,好像是非常神奇的東西,這個氣,本身也是由原子組成的。因為世界上不可能有別的物質產生。

不隻是地球,整個宇宙的原子,和我們這裏的原子完全是一模一樣的。

我們怎麽會知道?因為每個原子會發出一些特殊的光來。譬如說我們知道太陽上有氦原子,氦原子發出光的那個性質,所謂的光譜和地球上能夠觀察到的光譜一模一樣。整個宇宙世界裏,萬物都是由原子構成的。

這個道理大家是要慢慢想。但是這個概念是個非常偉大的概念,雖然真正對原子的理解,是20世紀初由於量子力學的奠基。

但是大家知道了不起的一點,兩千年以前,原子的概念就被希臘的人提出來了。所以,這是一種思想方法,就是要把世界上萬物的複雜性歸納到原子的簡單性。

我們知道元素周期表特別簡單,那麽千變萬化的世界,歸納到最後就是這100多種元素,這就是思想方法的偉大。

好像是非常抽象的科學概念,和我們今天辦企業有什麽關係?做任何的企業要能賺錢,就是用簡單的辦法來解決一個複雜的問題。

歐幾裏得的幾何定理

以上是物理的概念,也是化學的概念,如果用數學來描寫,最精華的思想是什麽?希臘文明的偉大,除了那些公式之外,是把數學思想已經基本奠定了,這就是歐幾裏得的公理係統。

 

歐幾裏得的幾何定理

這麽錯綜複雜的理論體係,它一定要建設在五條不言而喻的公理上麵:比如兩點可以劃一條直線;所有直角都全等??

這個事情我們覺得真是太不言而喻了,根本不需要證明。歐幾裏得把它作為基本的公理,就是第一性原理。再複雜的知識體係,你一定要歸納成最少的幾條不言而喻的公理。

歐幾裏得的妙處就是出發於那些顯而易見的公理,來整理他整個知識的體係,把它變成一個豐茂的大樹,這些大樹的根就是一些公理。

在這種情況下,物理的思想和幾何的思想也是統一的思想,把萬物歸到一個最最簡單的原理上。

自然選擇,適者生存

生物是一個非常複雜的係統,好像不容易總結出非常簡單而普世的規律,其實,如果整個生物用一句話來描寫的話,就是「自然選擇,適者生存」。

所以,生物之所以能夠進化,是因為周圍的環境一直在改變,能夠適應環境的生物就能生存,不適應的就會被淘汰,這是進化的最原始動力。

我們每次講公司的生和死,其實已經潛意識把公司看成是生物,公司也是同樣適者生存,競爭是非常殘酷的,但是越是極地環境下生存的公司,就越優秀。

人人生來平等

講起人文的思想,如果用一句話來總結的話,就是「人人生而平等」。這是美國《獨立宣言》上的第一句話,基本上模彷了歐幾裏得的公理係統。

 

人人生而平等,《獨立宣言》中最有力量的句子

我要建一個國家,國家是一個非常複雜的體係,但也要建在一個基本的原理上。這個基本的原理,一定要是每個公民覺得是不言而喻的一個真理,不需要過多的解釋。

美國的憲法200年不變,為什麽?它是把科學的基本理念用在治國。既然歐幾裏得複雜的定理係統能夠建立在幾條顯而易見的公理上,我們建國為什麽不可以?使得每個公民根本不需要任何知識,一講他就知道?

這樣國家才能真正地牢固,這是人人生來平等,這是一個基本的原理。

自由的空氣在飄揚

說到辦一流的大學,大家都會想到哈佛大學和斯坦福大學這些百年學府。斯坦福大學牛在哪兒?它的校訓是「自由的空氣在飄揚」。

這是一個百年學府成功的前沿思想,就是學術環境一定要有自由,一不要受政治的影響,二不要受功利心的影響。

筆勝於劍

如果我要總結整個人類文明幾千年的曆史,用一句話來描寫,我會說「筆勝於劍」,筆遠遠比劍來得更重要。

曆史上,亞曆山大征服了世界。他有兩位老師,一位是他的父親腓力二世,教他怎麽用武力征服已知的世界。另一位老師叫亞裏士多德,同樣教他改變世界,不是用武力,而是知識,真正把人類的知識徹底整合,徹底征服。

所以亞曆山大有兩個改變世界的誌向,一是征服人類已知的世界,他打到阿富汗時痛苦一場,認為下麵沒有可以征服的地方;二是亞曆山大圖書館,他的目標是收集人類所有的書籍。

他征服過來的帝國,在他過世一年之內就全部崩潰,但他真正給人類文明留下的是亞曆山大圖書館,由於信息極端密集,也吸引了很多學者匯聚,影響了人類曆史。

這個道理很簡單,但大家在用的時候,往往不知道它的深意,希望大家能通過這些故事深入思考。

隱形的手

如果講起經濟學,也要有一句話,我想就是亞當斯密所講的:

市場是一個隱形的手。

 

 

這句話的道理,我想大家已經講得很多,但是做起來,往往會不太明白,尤其是政府在做事情的時候,往往就有一個無形的手就會變成一個有形的手。

但是這個道理非常的深刻,你在用有形的手幹預市場的話,很短時間內可能會有些效果,但肯定不能打造百年老店,不可能形成千年思想。

大道至簡

 

剛才這些都是西方人留下的思想,我們中國千年的文明,留下的思想哪一句應該寫到信封背麵呢?「大道至簡」。

很多人說起誰牛,就說是專家,其實專家並不牛,把大道用簡單的話講出來,讓人人都聽懂,這才是真正牛的。

千年思想的確最最精華的都是大道至簡,你看宇宙美妙在哪兒?E=MC²這樣一個公式,能夠描寫小到原子,大到宇宙。真理的共通點就是「大道至簡」。

講個故事:

4的根號等於幾?很簡單,2和-2,英國理論物理學家、量子力學的奠基者之一狄拉克初中時,就覺得這個回答非常非常奇妙,為什麽開根號的時候總是有一個正根,有一個負根?

他突然想到把這個原理推廣了一下,就說宇宙上麵所有的基本粒子,都有個反粒子,有個電子就有個反電子,有個質子就有個反質子,有個中子就有個反中子,這是個非常非常神奇的發現。

所以,科學大師,你看他為什麽能夠做出這些偉大的科學發現?就是他始終沒有忘記「大道至簡」,後來狄拉克得到了諾貝爾獎。

05

他還留給我們很多很值得拜讀和思想的觀點,甚至爭議。

在《科學與信仰》裏,他說 “科學實在有永恒的局限,有不能在將來而改變的局限,科學與信仰不但今天沒有矛盾,將來也永遠不會有矛盾。”

他說區塊鏈:就像人類的曆史一樣,網絡的曆史同樣是「分久必合,合久必分」,是區塊鏈的產生,鑄就了這麽一個新的時代。他認為區塊鏈的機會是互聯網的100倍。

他極為推崇斯坦福的校訓:自由的空氣在飄揚。他覺得自由的氣氛對於創新是非常重要的。

“如果說創業公司在全世界的成果概率是3%,那麽矽穀創業公司的成功率在10%左右,而斯坦福大學的學生創業成功率往往在30-40%,最重要的就是自由創新的氛圍。正是因為斯坦福的存在才會有矽穀。因為斯坦福的教授和學生想的都是從0到1”

他認為“不論科學、技術還是任何一個領域的創新,都要有一個原動力來驅動,這個原動力就是好奇心。”

他還指出,科學教育的第一要義是培養孩子的好奇心,唯有受好奇心驅動,一個人的學習效果才能達到最佳。

他認為孩子被知識的洪水淹沒,是時代最大的問題,智慧在於汲取,要在知識的洪水當中,汲取出最精華的思想。好奇心是所有興趣的起源,更是孩子探索知識的無限動力。

他的家庭教育很成功,兒子哈佛,女兒斯坦福,兒子還是國際奧林匹克物理競賽金牌得主。

他一生中都認為:人最可貴的是有好奇心伴隨一生。

斯人已逝,或許他的墓誌銘上也隻需要簡簡單單三個字——科學家,畫上量子霍爾效應或者天使粒子。

隻是,人世間,已不再有當年的閣樓。




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