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張首晟辭世 楊振寧評價他:獲諾獎只是時間問題

http://dailynews.sina.com   2018年12月05日 22:32   新民晚報

  原標題:華裔物理學家張首晟辭世,他的團隊發現“天使粒子”,楊振寧評價他:獲諾獎只是時間問題

來源/復旦大學來源/復旦大學

  12月6日上午來自美國的消息,當地時間12月1日,出生於上海的美國華裔物理學家,美國斯坦福大學終身教授、美國科學院院士、中科院外籍院士,2017年度中華人民共和國國際科學技術合作獎獲得者張首晟教授去世,終年55歲。

  張首晟,美國華裔科學家,1963年生於上海。1978年考入復旦大學物理學系,現任斯坦福大學終身教授。憑藉對拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應的開創性研究,張首晟已包攬物理學界所有重量級獎項,包括歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎、尤里基礎物理學獎和富蘭克林獎章。2007年,他發現的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜誌評爲當年的“全球十大重要科學突破”之一。他曾多次被外界視作諾貝兒獎熱門候選人之一。

  張首晟和上海、和復旦淵源頗深,他的祖父張彝是復旦建校後的第二屆學生。2005年復旦百年華誕,他將珍藏的祖父的卒業文憑捐給了母校,這也是迄今爲止發現的最早的一張復旦大學畢業文憑。

  2017年7月21日凌晨,張首晟及其團隊在美國科學雜誌上發表了一項重大發現:在整個物理學界歷經80年的探索之後,他們終於發現了手性Majorana費米子的存在。

  這一發現,驗證了由意大利理論物理學家Ettore Majorana在80年前提出的預測——存在一類沒有反粒子的粒子。同時也證明了存在一種比量子還小的單位,這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。

  張首晟將這一新發現稱爲“天使粒子”。普通羣衆可能暫時難以理解這一發現,但是對基礎物理界來說,這或將開啓一個新的時代。

  1928年,英國理論物理學家保羅·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)提出了著名的狄拉克方程式。這一發現,從理念上預言了正電子的存在,狄拉克提出:宇宙中每一個基本粒子必然有相對應的反粒子。

  1932年,美國物理學家安德森在研究宇宙射線時,無意間發現了狄拉克預言的正電子。從此以後,宇宙中有粒子必有其反粒子被認爲是永恆不變的真理。

  張首晟曾經介紹:“根據以往的認知,我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界。比如有正數必有負數,有存款必有負債,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。”

  但是,在1937年,也就是整整80年前,Ettore Majorana做出這樣一個大膽的猜測:會不會有一類沒有反粒子的粒子,或者說它們自身就是自己的反粒子。這個粒子被後來的物理學界稱之爲Majorana費米子,並和希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視爲人類最爲夢寐以求的神祕粒子。

  從那開始,尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

  在2010年到2015年之間,張首晟與其團隊連續發表三篇論文,精準預言了在哪裏能夠找到Majorana費米子,繼而指出哪些實驗信號能夠作爲鐵證如山的證據。他們預言手性Majorana費米子存在於一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中。

  張首晟將發現的手性Majorana費米子稱爲天使粒子,這一靈感來自於小說《天使與魔鬼》。在Dan Brown的這部小說中,正反粒子的碰撞會將所有質量以能量的形式釋放出,從而湮滅整個世界。而天使粒子的發現,就好像發現了一個完美的世界,這裏只有天使,沒有魔鬼。

  張首晟曾表示,天使粒子最重要的意義是改變了基礎物理,因爲它改變了人們一直認知的正反對立的世界觀。

  對於每一位物理學家來說,基礎物理的研究都是一段極爲漫長的過程。一個重大的發現往往需要50年甚至100年的時間,有發現已經是幸運的。也有很多人,可能傾注畢生,最終也沒有所獲。而張首晟是成功者。

  張首晟1963年出生在上海,17歲便前往德國柏林自由大學學習,他學的是理論物理專業,這也是楊振寧的專業,他的恩師也是這位科學大師。

  但理論物理的就業面太窄,張首晟一度開始擔心自己的前途。但當他來到哥廷根大學附近的一塊墓地,看到裏面埋葬的一些物理學家都是用其生前發現的公式作爲墓誌銘,這深深震撼了張首晟。自此,“用一個公式概括整個世界”成爲張首晟的夢想,也讓他決定將畢生的精力都貢獻給物理學研究。

  還有一個選擇對張首晟產生了深遠的影響。當年在柏林自由大學學習時,張首晟一直將大統一理論當成自己的學術目標。因爲這是愛因斯坦努力一生的事業,也是楊振寧的領域。

  接下來,1996年,年僅33歲的張首晟被評爲斯坦福大學終身教授。隨後,憑藉拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應兩項理論的發現,張首晟於2010年獲得歐洲物理獎;2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎;2014年獲得美國富蘭克林獎。

  張首晟多年被湯森路透預測會得到諾貝爾獎,楊振寧則評價“他獲得諾貝爾獎只是時間問題”。

  據鳳凰科技報道,張首晟教授系跳樓身亡。媒體稱,張首晟長期患有抑鬱症,當地警方已確認其爲自殺。

  新民晚報記者 張炯強

  [相關鏈接]張首晟——從閣樓的孤獨到科學的輝煌,一個復旦天才少年的故事

  2005年,正值復旦大學百年校慶前夕,一位有心人向復旦校史館捐贈了一份畢業文憑。文憑主人叫張彝,是當時復旦公學的第二屆學生。這份簽發於1909年的畢業證書是我國目前存世的最早大學畢業文憑。這位有心人叫張首晟,張彝是他的祖父,在祖父畢業近70年後的一個秋天,他也踏進了復旦園,成爲張家的第二個復旦人。不久後,張首晟遠涉重洋深造,在科研領域窮幽探微多年,如今憑藉高質量的科研成果以及多項物理學重量級獎項,成爲躋身大洋彼岸物理學界頂級俱樂部的華裔科學家。

  祖父張彝的畢業文憑被發現以前,一直塵封在張家靜安區祖屋的閣樓上。對張首晟來說,家裏的閣樓是一個神奇的角落,從幼年開始,他總是能在這裏發現各式有趣的物什,從伯父的大學畢業年冊,到《西方哲學史》《西方藝術概論》等書籍,不一而足。

 來源/復旦大學 來源/復旦大學

  小時候的張首晟是個內向的小孩,白天在教室裏上完課回到家裏,就一頭紮在閣樓上閱讀“捕獲”的各類奇書。“對我而言,真正的啓蒙教育不是科學,而是藝術和哲學”,張首晟曾回憶說。閣樓歲月,成爲他成長中一段隱祕的快樂。

  1976年,張首晟12歲,父親給他買了一套自學叢書,其中包括數學、物理等科目,爲即將到來的變化未雨綢繆。第二年,高考正式恢復。再過一年的夏天,張首晟與高考不期而遇。

  1978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,通過後方能獲得高考資格。閣樓上的少年有些蠢蠢欲動了:“伯父的大學畢業年冊對大學有着生動的描寫,我從小就非常盼望大學生活。雖然我是初中生,但當時的環境下,高中生也不比我擁有更多的知識,所以還是有些信心的。”張首晟說。可是,一旦落榜,非但不能實現大學夢,連高中的大門都無緣了。“這是我人生中面臨的一次最嚴峻的選擇。”張首晟後來坦言。父母顧慮再三後還是選擇支持他。於是,張首晟參加了當年的預賽,並順利獲得高考資格。

  張首晟如願以償,拿到了復旦大學的錄取通知書。那年高考改變了很多人的命運,包括張首晟。“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。”張首晟說。

  1978年9月,復旦大學物理系迎來了一個沒有高中文憑的少年大學生。“初中時,在很封閉的情況下,我們都知道楊振寧、李政道獲得諾貝爾獎,爲中華民族爭了一口氣。大學時選擇理論物理專業,就是衝着他們的榜樣力量。”張首晟如是說。走進物理系,距離偶像又近了一步,不過當年的他或許沒有想到,自己和偶像的緣分遠不止如此。

  大學第一個學期匆匆過去了。第二學期開始,一日,張首晟正在宿舍裏自習,班主任突然上門,告知他將被選派前往德國柏林大學深造。張首晟高考成績優異,在當時已被列入留德學生的內定人選。

  對張首晟來說,這個消息可謂天降喜訊。他對德國最初的印象,來自兒時啃過的那些哲學書籍,隱隱約約知道它是康德、黑格爾的祖國。“學了物理以後,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,去德國留學對我來說像做夢一樣。”張首晟說。當年公派到德國的學生一律要在同濟大學接受爲期一年的德語培訓。1980年,沒有來得及拿到復旦文憑的張首晟,正式踏上了赴德之旅。

  柏林大學的學制爲五年,不少人甚至花了七年才能畢業,但憑藉着出色的學習能力和勤奮,年輕的張首晟花了三年時間就完成了學業。學習之餘,他還花了不少時間深入瞭解德國乃至歐洲的人文歷史。

  一天,張首晟來到哥根廷大學附近的一片墓地。很多德國著名物理學家長眠於此,每個人的墓碑上,墓誌銘都鐫刻着其生前發現的一道重要公式。如Heisenberg的墓誌銘是Heisenberg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,Otto Hahn的墓碑上是一道核反應公式,張首晟被深深地震撼了:“一個樸素的墓碑,一個簡單而普適的公式,這纔是人生最高境界。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。”成爲一名科學家的神聖感和人生意義此刻內化爲一種使命,一種激勵自己貢獻終生的精神源頭。

  在德國攻讀學位期間,張首晟開始思索自己的學術方向。當時,在他看來,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,楊振寧先生在這方面頗有建樹,而他又是自己兒時的偶像,前往美國追隨楊振寧先生從事統一場研究便成爲他念茲在茲的目標。

  從柏林自由大學畢業後,張首晟被美國紐約州立大學石溪分校錄取,如願以償成爲了楊振寧先生的弟子。一入門,他就迫不及待地向老師闡述他的學術構想。出乎意料的是,楊振寧先生並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。這時凝聚態物理還是一個方興未艾的研究領域,楊振寧先生本人的研究方向也並不在此,老師的建議讓張首晟大惑不解。多年以後,張首晟才明白了楊振寧先生當初的良苦用心:“一般來說老師總是希望學生能夠發展自己的研究領域,楊振寧先生卻建議我從事其他領域的研究,他真的很無私。今天看來,凝聚態物理在物理學領域中發展得最快,這體現了他三十年前精準的眼光。”

  而更讓張首晟得益匪淺的是,這位有着詩人氣質的科學家,帶領着他領略到了不一般的科研境界:“他告訴我,詩歌追求的境界是用兩句話將複雜的感情說清楚,科學也是追求用一個簡單的公式去描寫大自然的所有萬千現象。藝術和科學是相通的,F=ma’、‘E=MC2’就是描寫大自然的最美麗的詩句。”

  導師的話,激活了張首晟對於藝術的啓蒙記憶。“爲美所驅追求科學,真是一種最高的境界,楊振寧先生帶領我進入的境界,在書本上是學不到的。”張首晟感慨。在物理系系慶報告會上,張首晟展望物理學發展的未來,覺得隨着學科越來越專業化,隔行如隔山,而如要真正做出創新,科學家還需更高的視野。他舉例說,牛頓發現萬有引力,說明了三大力學定理,但當時理論物理根本沒有這個名詞,他那本奠定物理學基礎的書叫Mathematical Principles of Natural Philosophy,這是歷史上最成功的用數學語言來描寫大自然,體現着無與倫比的的美。“因爲在最高的境界上,科學跟藝術,科學跟美,主觀、客觀是統一在一起的。”在這一點上,張首晟頗得導師的精神。師傅領進門,修行在個人,從基本粒子物理突然轉向凝聚態物理並非一件輕而易舉之事,好學而刻苦的張首晟做成了。

來源/視覺中國來源/視覺中國

  1993年,張首晟進入斯坦福大學任教,不久後便頭角崢嶸,成爲該校最年輕的終身教授之一。2010年憑藉“量子自旋霍爾效應”理論預言和在實驗觀測領域的開創性貢獻,榮獲歐洲物理獎,這是該獎項首次花落華裔科學家;2011年,因在物理學領域做出的卓越成就,榮膺美國藝術與科學院院士。2012年他先後獲得凝聚態物理領域的最高榮譽Oliver Buckle獎和國際理論物理學領域最高獎“狄拉克獎”(Dirac Medal)。

  近年來俘獲大批中國粉絲的美劇《生活大爆炸》裏,主角物理學家們的口中常常蹦出“拓撲絕緣體”的新名詞,就引用了張首晟科研組的研究成果,對於非物理專業人而言,從這個側面去了解他的科研影響力或許更爲直觀。

  當中國將科技當作第一生產力,實施“千人計劃”時,張首晟成爲其中一員。許多時間,除了繼續擔任斯坦福教職以外,他還是清華大學高等研究院的一名教授,每年會在國內長待一段時間,從事科研並指導學生。他也常常回到母校復旦大學,在報告會上他說:“我希望我在有生之年,能夠用自己的努力,使中國能夠真正建成如世界第一流的像斯坦福這樣的學校。”

  閣樓上的孤獨小孩、少年大學生、沒有文憑的復旦人、楊振寧的得意門生、最年輕的斯坦福終身教授、最接近諾獎的科學家……張首晟留下很多。或許對上海這座城市來說,人產會將復旦的第一張文憑和這位科學家聯繫在一起,他是復旦的驕傲,上海人的驕傲,也是世界的驕傲。

  新民晚報記者 張炯強

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