张首晟的动心与永劫:上方舟前,留给世界的最后几句话

来源: 2019-01-12 21:56:16 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (80381 bytes)

2018年12月1日,美国华裔物理学家张首晟教授去世,终年55岁。

12月1日是世界艾滋病日,是人民币日,巧合的是,在张首晟教授去世的这一天,12月1日还发生了另外两件大事,引爆舆论,至今还在发酵,于是阴谋论满天飞。

究竟真相如何,也许还需要进一步观察,也许就此成谜。

而美图,区块链,丹华资本,千人计划,抑郁症,美“301”调查报告,甚至一些敏感词,瞬间成了热词。

 

热闹之中,似乎大家都不再记得,张首晟其实是一个天才, 而且是对科学做出巨大贡献的华人天才。

01.

张首晟就是我们父母口中常常说的“别人家的孩子”。

1963年,张首晟出生在上海。每一个人的童年都有一个阁楼。

在那个文革大潮席卷了中国的时代,张首晟的阁楼比我们的更奇妙,从康德到黑格尔,从达芬奇到罗丹,从杨振宁到李政道,从艺术到科学…… 阁楼的藏书点亮了一个天才的童年。

14岁,初中还没毕业,中断了10年的高考恢复,张首晟花了一个暑假的时间来学习,教材是父亲给他的一套数理化自学丛书。然后他就考上了大学,而且是中国顶尖的大学,复旦大学。

那年高考改变了很多人的命运,包括张首晟。

15岁,他就进入了他爷爷曾经待过的地方,复旦大学并选择了物理系。只因为“初中时,在很封闭的情况下,我们都知道杨振宁、李政道获得诺贝尔奖,为中华民族争了一口气。大学时选择理论物理专业,就是冲着他们的榜样力量。”

16岁时,他在大学刚刚呆了一年,很多年后,许多这样的新生刚刚军训回来,而他由于成绩优异,他被选中公派去德国柏林大学。此时他没有高中文凭也还没大学文凭。

20岁时,他仅仅花了三年,就在德国柏林自由大学取得了硕士学位。

同年,如愿以偿来到美国纽约州立大学石溪分校,师从自己的偶像家杨振宁攻读博士学位。

 

32岁时,他被聘为斯坦福大学正教授,成为该校最年轻的终身教授之一。

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。

由于在拓扑绝缘体等领域上的杰出贡献,他包揽物理界所有重量级奖项,包括古根海姆基金奖(2007年)、洪堡研究奖(2009年)、欧洲物理奖(2010年)、求是杰出科学家奖(2011年)、美国物理学会巴克莱奖(2012年)、狄拉克奖章(2012年)、尤里基础物理学奖(2013)和富兰克林奖章(2014)。

 

2017年7月21日,张首晟及其团队在《科学》杂志宣布:在整个物理学界历经80年探索之后,他们终于发现了手性马约拉纳费米子的存在,并将其命名为「天使粒子」。

2013年,张首晟从实验中首次观测到量子反常霍尔效应,这项成果也被认为属于“诺奖级”。

从2014年起他开始成为诺贝尔物理学奖的热门候选人,那年他获选 “汤森路透引文桂冠奖”,被外界视为诺贝尔物理学奖的最有希望人选。

杨振宁不无得意地评价他的爱徒:“他获得诺贝尔奖只是时间问题。”

02

杨振宁说:“在最高的境界上,科学跟艺术,科学跟美,主观、客观是统一在一起的,F=ma、E=mc² 就是描写大自然的最美丽的诗句。” 张首晟认为他的导师带他进入了一个书本上学不到的境界:为美所驱追求科学

张首晟一直提到:人类文明的价值是大道至简,他认为把大道用简单的话讲出来,让人人都听懂,这才是真正牛的

他最喜欢讲的故事是关于狄拉克的:

4的根号等于几?很简单,2和-2,英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一狄拉克初中时,就觉得这个回答非常非常奇妙,为什么开根号的时候总是有一个正根,有一个负根?

狄拉克突然从开根号开始天马行空,做了个惊人的预言,断定宇宙中所有的基本粒子,都有个反粒子,有电子就有反电子,有质子就有反质子,有中子就有反中子,这是个非常非常神奇的预言。

1932年C.D.安德森实验发现了正电子。

1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子,他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞,发现在突然间成对出现了几道轨迹,又在短时间内相撞而互相湮灭,这是人们第一次直接观测到反粒子。

迄今,已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。 如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。

这样,狄拉克的天才预言被实验证实了,那么,有没有反例呢?宇宙中会不会存在一类没有反粒子的粒子,或者说正反同体的粒子?

意大利理论物理学家埃托雷·马约拉那(Ettore Majorana)在1937年,从理论上提出了这样的粒子存在,即我们今天所称的马约拉那费米子,它的反粒子就是它本身。但是不幸而且巧合的是,他在提出这种神奇粒子存在不久后,到巴勒莫乘船旅行中神秘失踪,从此渺无音信。

从那时开始,这一神奇粒子成为了物理学家们无时不想追寻的梦中情人,困扰了物理学界整整80年。

张首晟把突破口转向凝聚态物理。2017年7月,张首晟及其团队在《科学》杂志上发表了一项新发现,在超导-量子反常霍尔平台中发现了具有半个量子电导的边缘电流,与理论预言的手性马约拉纳粒子十分吻合。这是在霍尔效应平台系统中第一个具有确凿证据的马约拉纳测量结果。

张首晟将这一新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”,这个名字来源于丹·布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》。“这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界”张首晟说。

这也使得张首晟再度成为2017年诺贝尔物理学奖的热门人选,虽然最终再度落选。

当然也存在一些质疑,比如中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对此评价说:“这个发现不是基本粒子,而是在极低温条件之下以及二维材料的边界上造成的某种量子态,这个态满足中性粒子的要求,即其反态就是自身。鉴于这种量子态需要极端条件,距离应用还比较远,如果我用一句大白话来解释,就是“凝聚态物理还没有攻陷粒子物理”。“

简单地说,马约拉纳准粒子的证实必须找到更令人信服的证据,马约拉那费米子还只能继续是物理学家们的情人,梦中的。

大道至简,张首晟也经常用一些易懂的例子来解释自己的研究。他这样解释摩尔定律会失效:“电子在芯片里的运动,就像一辆辆跑车在集市里行驶,不断地碰撞,产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上,时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量,导致摩尔定律将失效。”

怎样才能让“电子跑车”不相互碰撞?张首晟提出了“电子高速公路”方案,拓扑绝缘体就是可以让电子单向行驶而不发生碰撞的“电子高速公路”,可以将计算机的计算极限约提高一倍。

《生活大爆炸》里谢尔顿为了炫耀学识,在一次课堂上高冷地问学生:“谁知道什么是拓扑绝缘体?”在天才谢尔顿心里,这是理论物理学最高深的部分,而这是张首晟创造的词汇,在物理学属于一个重要的前沿领域。

 

这个领域最初的开创者戴维·索利斯等人获得了2016年的诺贝尔物理学奖, 当年,张首晟也是大热门,只是当时他还年轻,虽然公认他做出的贡献也足以得奖,但是显然诺奖委员会觉得他将来还有时间。

可惜的是,已不幸辞世的这位华人天才再也无法摘得诺奖了。

但也有许多惊艳绝世的天才,比如特斯拉,比如冯.诺依曼,也终生未得诺奖。

对于真正的天才,他们又何需用诺奖来证明他们的伟大?

03

张首晟最爱的诗句是:一沙一世界,一花一天堂。双手握无限,刹那是永恒。这首节选自威廉·布莱克的名作《天真的预言 Auguries of Innocence》,很多文学大家都翻译过这首诗,比如李叔同、徐志摩、梁宗岱。 中国人的心中都追寻着这样的一个刹那,永恒,无限,天堂。

与许多科学家不同,张首晟其实是文科生出身,他的启蒙教育都是历史、哲学以及艺术等,他骨子里是个文艺青年。而他恰恰认为,正是这样的经历对他的研究产生了非常重大的影响:

你做理论物理,你的推导能力比较好,你做实验物理,你操作仪器的能力比较好。到了一定的层次,这种厉害的人已经多如牛毛。但是为什么最终有些人能够更上一层楼,这个决定因素其实超出了物理的知识范畴,就是需要具有一种品位,因为大家能力都很接近,都在竞争,面前比如说都摆着十条路,然后我选择这条路,你选择另外一条。最后的结果一般是只有一个人成功,而且往往从技术层面上说,最后成功的这个人并不一定那么厉害,他成功是因为他选择了对的方向。所以从这个观点来看的话,其实科研和艺术就非常像,就是一种品味;这跟历史也比较像,就好像我们在历史关头,到底要做怎么样的决定。所以这些看得多了,对于你在这个选择关头,可能会有些帮助。可能这些选择看似偶然,其实是一个知识长期积累的结果。

谁的大学不迷茫? 尤其是文艺青年,大学毕业后,张首晟也曾为前途迷茫过,后来在一次旅行中,张首晟来到哥廷根大学附近的一片墓地,很多德国著名科学家们长眠于此,如“数学王子”高斯、冯.诺依曼的导师大数学家大卫.希尔伯特……在墓园里,科学家们的墓碑十分简单,除了名字、日期,墓志铭都镌刻着其生前发现的一道重要公式, 如海森堡的墓志铭是测不准原理的公式,马克斯•玻恩是其对波函数概率的一个分析((pq - qp = h/2πi)),奥托·哈恩的墓碑上是一道核反应公式。

 

他印象最深的是大卫.希尔伯特的墓碑,墓碑只引用了他的一句名言,“WIR MUSSEN WISSEN, WIR WERDEN WISSEN”,翻译过来就是“我们必须了解,我们必会了解”。

(大卫·希尔伯特我们在冯.诺依曼系列中介绍过,再复习一次:大卫·希尔伯特可是当时数学武林的盟主,他的二十三问,名震天下,被认为是20世纪数学的至高点,屈原的天问也只能甘拜下风,其中第八问黎曼猜想、哥德巴赫猜想和孪生素数问题依然是数学界一大悬案。)

张首晟说他被深深地震撼了:“一个朴素的墓碑,一个简单而普适的公式,这才是人生最高境界。从此之后,我决定要把自己毕生的精力贡献给物理学研究,特别是理论物理学的研究。”

他说再也不去考虑“挣多少钱”的问题了。

然后他也这样身体力行了十几年,十年寒窗,张首晟身处美国顶尖院校的象牙塔深处,研究凝聚态理论物理,拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、这样的艰深理论。

他坚信物理的最基本法则应该是被数学的美感所激发。一沙一世界,一花一天堂,那应该是很美好纯真的年代。也正是有着这样的纯真,他的成就才能如此惊人。

然而滚滚红尘,人世繁华,谁又能真正抵挡得住诱惑?

魔鬼又带他上了一座最高的山,将世上的万国与万国的荣华都指给他看,对他说,你若俯伏拜我,我就把这一切都赐给你。

李叔同对他最喜欢的威廉·布莱克的名作《天真的预言 Auguries of Innocence》的翻译是:君掌盛无边, 刹那含永劫 。

这刹那的转念,一时的动心,也许真的就含着永劫。

VMware,丹华资本,天使投资……当局者在这些金谷繁华的时刻,谁能真正解得透个中的迷局?

繁华事散逐香尘,流水无情草自春。

多希望那个阁楼中的天才少年,出走半生,归来仍是少年。

04

“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”这就是著名的“钱学森之问”。

“假设世界末日到了,诺亚方舟上只能够带个信封以总结所有人类知识,那你们会写下什么?” 这是张首晟之问。

“钱学森之问”是关于中国教育事业发展的一道艰深命题。

“张首晟之问”是关于人类至今最主要的认知学科领域和成就。

 

自然界三大基本常数;

万物都是由原子构成;

欧几里得几何公理;

自然选择、适者生存;

人人生来平等;

让自由之风吹拂;

笔胜于剑;

隐形之手;

大道至简;

自然界基本常数

 

作为一个物理学家,我觉得人类文明最高的建树还是科学真理。科学真理最重要的是两点,一是能量,二是信息。

对能量最深刻的认识来爱因斯坦,就是E=mc²,如果总结人类最知名的公式,这是首选。大家说物质本身也很重要,但是通过E=mc²,就发现物质和能量是一回事。

对信息的认识,是人类对大自然最重要的认识。怎么描写和衡量信息,也有一个非常奇妙信息熵的公式:S=-p log p。

这个公式不像E=mc²那么知名,但爱因斯坦说过一句话:等到人类的知识往前推进,牛顿力学可能不对,量子力学可能不对,相对论可能也不对,但信息熵的公式是永恒的。

我们这个时代,可能觉得科学万能,但第三个公式告诉我们,科学不是万能的。科学的伟大,在于能够告诉人类,科学的界限在哪儿。

这就是量子力学的海森堡测不准原理,科学有一个永远不能跨过的界限,你不可能把一个粒子的位置,和它的重量,或者它的速度,同时精准地测量出来。

哲学上讲,客观世界完全独立于主观世界的存在,但是这是个伪命题,并不是真正存在的。

真正能观察到的,是客观和主观之间的结合,由于观察者和被观察的世界相互作用,我们不可能无穷精准地把客观世界了解清楚。

这是第三个公式的伟大,因为它不只是讲了一个科学的原理,更说明了一个哲学的原理,告诉我们客观的世界和主观的世界,不能完全割裂。

万物都是由原子构成

 

人类的文明不只局限于科学,还有哲学,政治,法律??如果用一句话来描写整个世界里,最值得告诉下一代的话,就是「万物都是由原子构成」。

譬如中医讲「气」,好像是非常神奇的东西,这个气,本身也是由原子组成的。因为世界上不可能有别的物质产生。

不只是地球,整个宇宙的原子,和我们这里的原子完全是一模一样的。

我们怎么会知道?因为每个原子会发出一些特殊的光来。譬如说我们知道太阳上有氦原子,氦原子发出光的那个性质,所谓的光谱和地球上能够观察到的光谱一模一样。整个宇宙世界里,万物都是由原子构成的。

这个道理大家是要慢慢想。但是这个概念是个非常伟大的概念,虽然真正对原子的理解,是20世纪初由于量子力学的奠基。

但是大家知道了不起的一点,两千年以前,原子的概念就被希腊的人提出来了。所以,这是一种思想方法,就是要把世界上万物的复杂性归纳到原子的简单性。

我们知道元素周期表特别简单,那么千变万化的世界,归纳到最后就是这100多种元素,这就是思想方法的伟大。

好像是非常抽象的科学概念,和我们今天办企业有什么关系?做任何的企业要能赚钱,就是用简单的办法来解决一个复杂的问题。

欧几里得的几何定理

以上是物理的概念,也是化学的概念,如果用数学来描写,最精华的思想是什么?希腊文明的伟大,除了那些公式之外,是把数学思想已经基本奠定了,这就是欧几里得的公理系统。

 

欧几里得的几何定理

这么错综复杂的理论体系,它一定要建设在五条不言而喻的公理上面:比如两点可以划一条直线;所有直角都全等??

这个事情我们觉得真是太不言而喻了,根本不需要证明。欧几里得把它作为基本的公理,就是第一性原理。再复杂的知识体系,你一定要归纳成最少的几条不言而喻的公理。

欧几里得的妙处就是出发于那些显而易见的公理,来整理他整个知识的体系,把它变成一个丰茂的大树,这些大树的根就是一些公理。

在这种情况下,物理的思想和几何的思想也是统一的思想,把万物归到一个最最简单的原理上。

自然选择,适者生存

生物是一个非常复杂的系统,好像不容易总结出非常简单而普世的规律,其实,如果整个生物用一句话来描写的话,就是「自然选择,适者生存」。

所以,生物之所以能够进化,是因为周围的环境一直在改变,能够适应环境的生物就能生存,不适应的就会被淘汰,这是进化的最原始动力。

我们每次讲公司的生和死,其实已经潜意识把公司看成是生物,公司也是同样适者生存,竞争是非常残酷的,但是越是极地环境下生存的公司,就越优秀。

人人生来平等

讲起人文的思想,如果用一句话来总结的话,就是「人人生而平等」。这是美国《独立宣言》上的第一句话,基本上模彷了欧几里得的公理系统。

 

人人生而平等,《独立宣言》中最有力量的句子

我要建一个国家,国家是一个非常复杂的体系,但也要建在一个基本的原理上。这个基本的原理,一定要是每个公民觉得是不言而喻的一个真理,不需要过多的解释。

美国的宪法200年不变,为什么?它是把科学的基本理念用在治国。既然欧几里得复杂的定理系统能够建立在几条显而易见的公理上,我们建国为什么不可以?使得每个公民根本不需要任何知识,一讲他就知道?

这样国家才能真正地牢固,这是人人生来平等,这是一个基本的原理。

自由的空气在飘扬

说到办一流的大学,大家都会想到哈佛大学和斯坦福大学这些百年学府。斯坦福大学牛在哪儿?它的校训是「自由的空气在飘扬」。

这是一个百年学府成功的前沿思想,就是学术环境一定要有自由,一不要受政治的影响,二不要受功利心的影响。

笔胜于剑

如果我要总结整个人类文明几千年的历史,用一句话来描写,我会说「笔胜于剑」,笔远远比剑来得更重要。

历史上,亚历山大征服了世界。他有两位老师,一位是他的父亲腓力二世,教他怎么用武力征服已知的世界。另一位老师叫亚里士多德,同样教他改变世界,不是用武力,而是知识,真正把人类的知识彻底整合,彻底征服。

所以亚历山大有两个改变世界的志向,一是征服人类已知的世界,他打到阿富汗时痛苦一场,认为下面没有可以征服的地方;二是亚历山大图书馆,他的目标是收集人类所有的书籍。

他征服过来的帝国,在他过世一年之内就全部崩溃,但他真正给人类文明留下的是亚历山大图书馆,由于信息极端密集,也吸引了很多学者汇聚,影响了人类历史。

这个道理很简单,但大家在用的时候,往往不知道它的深意,希望大家能通过这些故事深入思考。

隐形的手

如果讲起经济学,也要有一句话,我想就是亚当斯密所讲的:

市场是一个隐形的手。

 

 

这句话的道理,我想大家已经讲得很多,但是做起来,往往会不太明白,尤其是政府在做事情的时候,往往就有一个无形的手就会变成一个有形的手。

但是这个道理非常的深刻,你在用有形的手干预市场的话,很短时间内可能会有些效果,但肯定不能打造百年老店,不可能形成千年思想。

大道至简

 

刚才这些都是西方人留下的思想,我们中国千年的文明,留下的思想哪一句应该写到信封背面呢?「大道至简」。

很多人说起谁牛,就说是专家,其实专家并不牛,把大道用简单的话讲出来,让人人都听懂,这才是真正牛的。

千年思想的确最最精华的都是大道至简,你看宇宙美妙在哪儿?E=MC²这样一个公式,能够描写小到原子,大到宇宙。真理的共通点就是「大道至简」。

讲个故事:

4的根号等于几?很简单,2和-2,英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一狄拉克初中时,就觉得这个回答非常非常奇妙,为什么开根号的时候总是有一个正根,有一个负根?

他突然想到把这个原理推广了一下,就说宇宙上面所有的基本粒子,都有个反粒子,有个电子就有个反电子,有个质子就有个反质子,有个中子就有个反中子,这是个非常非常神奇的发现。

所以,科学大师,你看他为什么能够做出这些伟大的科学发现?就是他始终没有忘记「大道至简」,后来狄拉克得到了诺贝尔奖。

05

他还留给我们很多很值得拜读和思想的观点,甚至争议。

在《科学与信仰》里,他说 “科学实在有永恒的局限,有不能在将来而改变的局限,科学与信仰不但今天没有矛盾,将来也永远不会有矛盾。”

他说区块链:就像人类的历史一样,网络的历史同样是「分久必合,合久必分」,是区块链的产生,铸就了这么一个新的时代。他认为区块链的机会是互联网的100倍。

他极为推崇斯坦福的校训:自由的空气在飘扬。他觉得自由的气氛对于创新是非常重要的。

“如果说创业公司在全世界的成果概率是3%,那么硅谷创业公司的成功率在10%左右,而斯坦福大学的学生创业成功率往往在30-40%,最重要的就是自由创新的氛围。正是因为斯坦福的存在才会有硅谷。因为斯坦福的教授和学生想的都是从0到1”

他认为“不论科学、技术还是任何一个领域的创新,都要有一个原动力来驱动,这个原动力就是好奇心。”

他还指出,科学教育的第一要义是培养孩子的好奇心,唯有受好奇心驱动,一个人的学习效果才能达到最佳。

他认为孩子被知识的洪水淹没,是时代最大的问题,智慧在于汲取,要在知识的洪水当中,汲取出最精华的思想。好奇心是所有兴趣的起源,更是孩子探索知识的无限动力。

他的家庭教育很成功,儿子哈佛,女儿斯坦福,儿子还是国际奥林匹克物理竞赛金牌得主。

他一生中都认为:人最可贵的是有好奇心伴随一生。

斯人已逝,或许他的墓志铭上也只需要简简单单三个字——科学家,画上量子霍尔效应或者天使粒子。

只是,人世间,已不再有当年的阁楼。




更多我的博客文章>>>

加跟帖:

  • 笔名:      密码: 保持登录状态一个月,直到我退出登录。
  • 标题:
  • 内容(可选项): [所见即所得|预览模式] [HTML源代码] [如何上传图片] [怎样发视频] [如何贴音乐]
回到顶部