探尋科學詩意之美——訪“千人計劃”國家特聘專家、清華大學高等研究院張首晟教授

本刊記者 葉瑞優 劉 佳

張首晟榮獲凝聚態物理最高獎, Oliver Buckley獎。

2012年8月8日，作為國際理論物理最高獎項的“狄拉克獎”，在本年度授予了出生在上海，并曾就讀于復旦大學物理系的華人科學家張首晟。狄拉克是量子力學的奠基者之一，因狄拉克方程獲得1933年諾貝爾獎。狄拉克獎章是國際理論物理中心在1985年為紀念英國物理學家狄拉克而設置的年度性獎項，它是國際理論物理和數學物理領域的最高榮譽。

張首晟是第一個以理論預言拓撲絕緣體材料的學者，他的理論和實踐將為信息技術帶來革命性發展。這一成果讓他在2010年獲歐洲物理學會頒發的歐洲物理獎，2012年獲美國物理學會頒發的凝聚態物理最高獎奧利弗·巴克利獎，加上今天獲得的狄拉克獎，張首晟已經榮獲國際物理學界的三大頂級獎項。

一粒砂里有一個世界，

一朵花里有一個天堂。

把無窮無盡握于手掌，

永恒寧非是剎那時光。

張首晟很欣賞18世紀英國浪漫主義詩人威廉·布萊克的這幾行詩句。

盡管在大多數人眼中，理論物理是高深莫測的，甚至是枯燥的。但是在他的口中道來，卻如同在讀著一首優美的詩，在欣賞氣勢恢弘的交響樂。如一枚硬幣的兩面，科學和藝術都源于人類活動最高尚的部分，都追求著深刻性、普適性、永恒和富有意義。即便它們在山腳下沒有交集，然而在山頂上，它們必然殊途同歸，無數大師執著地攀登，只為領略到頂峰上科學與藝術交匯所生的無限江山。

張首晟——這位15歲入讀復旦大學，16歲只身赴德留學，32歲成為美國斯坦福大學終身教授的物理學家——更像是藝術家。一路走來，他深深地沉醉在物理學這個廣袤無垠的世界，他無時無刻不在思考探尋著物理學的美、物理學的意義和物理學的未來；他像一位詩人, 飄逸灑脫地領悟宇宙的永恒與時光的剎那。這一切，就像他用帶著虔誠的語氣所說的那樣：“真理往往是美的，那蘊藏于自然界中的真理之美，吸引著我不斷地探究。”

美在旅途：從小閣樓到斯坦福

“日月光華，旦復旦兮”，百年學府復旦大學從誕生之日起就屹立在新舊時代嬗變的潮頭。見證過它第一聲高亢的啼鳴，見證過革命與學術的火種在復旦生生不息的人們早已離我們而去。而歷史終會留下印記，能讓我們從中讀出那段輝煌。2005年，在復旦大學迎來百年華誕之際，張首晟向母校捐獻了祖父張彝先生珍藏的百年文憑。這是迄今為止發現的最早的一張復旦大學畢業文憑，也是目前國內發現的最早的大學畢業文憑。

張首晟就成長在這樣一個彌漫著書香的家庭。

他的少年時代是不幸的，因為那是一個不能夠讀書的時代；他的少年時代也是最幸運的，因為家里有一個藏書閣。那是一幢堆藏著舊書的閣樓，在那里，除了有祖父和伯父們的大學留言冊之外，更有數不清的書。

那時候，他一有空就鉆進閣樓，讀了很多書，東西方文學藝術、哲學、科學他都有所涉獵。通過這些書，他接觸到了西方世界許多最偉大的哲學家、科學家和文學藝術家：柏拉圖，康德，黑格爾；迦利略，牛頓，愛因斯坦；歌德，海涅，以及瓦格那……這些偉大的靈魂把藏書閣變成了思想的天堂，藝術與科學在他身上實現了最初的交匯，他也由此擁抱了比外面更廣闊的世界。

所以，可以說，正是在那時，他便對科學作出了終生選擇；小閣樓，成了將他引向科學的起點。終于，“讀書無用”的時代結束了，科學的春風雨露催生著埋藏在厚土之下的種子，等著它們破土而出。張首晟便是那顆早已積聚了營養、蓄勢待發的種子。1978年，在沒有上過高中的情況下，剛剛初中畢業的他就以遙遙領先的考分破格考上了復旦大學物理系。

帶著15歲少年特有的青澀與激揚，張首晟走出了小閣樓，走進了大學校園。他的優秀再一次使他脫穎而出，不到一年，他就意外地獲得國家教育部消息：他已經被選拔為國家派往西方國家的留學生。1983年，年僅20歲的張首晟獲得了柏林自由大學物理碩士學位。

張首晟在美國紐約州立大學石溪分校師從楊振寧攻讀博士學位。

接下來的一切也都顯得那么順利：1983年，他進入美國紐約州立大學物理系攻讀博士學位，師從著名物理學家楊振寧教授；1987年，他獲得博士學位。同年，進入加州大學的圣芭芭拉分校從事博士后研究；1989年底，他結束了博士后研究，與妻子一起到IBM繼續從事科學研究工作；1993年，他被斯坦福大學物理系聘為副教授。

從此，他進入了現代物理學研究的前沿。

斯坦福大學物理系在現代物理學研究領域中居于領先地位，這個系的教授們曾連續四年每年獲得諾貝爾物理獎，這在諾貝爾獎歷史中極為少見的傳奇。

歷史把年輕的張首晟放到了這個特殊的位置，注定了他要創造屬于自己的傳奇。1994年張首晟重新進入了現代物理學的尖端領域——超導性研究。這項研究他四年前年就開始了，但時有間斷。到斯坦福大學之后，他再一次將他研究的鋒芒集中到這個前沿領域。超導性是指導電材料的電阻和體內磁感應強度在溫度和磁場都小于一定數值的條件下突然變為零的性質。在超導態中，物體的熱、電、磁等性質都與正常態迥異，超導體的奇特性質激發了很多科學家的研究興趣，這項研究的每一個進步都與造福人類有密切關聯。

1995年，年僅32歲的張首晟以他出色的研究能力獲得了斯坦福大學物理系終生教授的位置。

同一時期他的超導研究也進入了關鍵——他期待著一個重大突破。但這突破卻遇到了極大阻力：他沒有辦法提出一個合理的理論來解釋超導實驗中出現的眾多復雜現象，對這些現象許多物理學家都試圖給出解釋，但卻沒有一個人可以提供令人滿意的答案。

張首晟捐贈祖父的復旦畢業文憑。

1996年春，就在他一籌莫展之際，他想起了當年在藏書閣里的閱讀時光，他想起了從愛因斯坦以及其它科學家所發現的科學原理中總結出的較高層次原理，那時，他就覺得那些原理的傾向具有共性的美，那就是：Simplicity（簡潔）和Universality（包羅萬象）。當他憑信心站到這個更高層次上的時候，他苦苦尋求的原理經出乎意料清晰地呈現了出來——他只用了一個簡潔的、對稱性原理 (后被稱為SO(5)理論) 就解釋清楚了超導性研究中那許多科學家無法解釋的復雜現象。從此，這個經由張首晟自己總結出來的審美定義就成了他衡量一切科學理論的標準。

1997年2月21日出版的美國《科學》雜志刊登了張首晟的這篇重要論文。張首晟所提出的這個理論是超導研究中的重要突破，這個突破成為張首晟人生中一個標志性的起點——這個起點把他引入了更美、更廣闊、更深遠的科學旅程。

美在創新：拓撲絕緣體的自旋舞步

上世紀60年代，英特爾公司創始人之一戈登·摩爾提出：集成電路上可容納的晶體管數目約每隔18個月便會增加一倍，而性能也將提升一倍。近半個世紀以來，這一定律見證了人類信息技術前進的步伐。但是，隨著晶體管越小越密集，發熱問題也就越突出，晶體管電路已逐漸接近性能極限。由此，業界驚呼：摩爾定律將死！

能否在室溫條件下，不用加上強磁場也能達到讓電子規律運動的方式呢？2003年，為應對摩爾定律即將失效的問題，張首晟等人組建了“IBM——斯坦福自旋電子研究中心”，并于2006年將其基于芯片業未來提出的新構想——通過電子的自轉來降低其能耗——在理論上完成了預言。

那么，什么是電子的自旋？

張首晟形象地介紹：導體是能量運輸的命脈，電子是導體中的能量搬運工，它除了負有電荷以外還具有一種自旋性質，就如同地球繞著太陽轉，而地球本身也在自轉一樣。而在一般條件下，電子的運動是無序的，這就好比很多人在跳舞，每個人的舞步都不一樣，毫無規律可循。

“這種無規律的運動不可避免地會發生碰撞，碰撞就會導致能量的損耗。所以我們一直在思考，大自然是否可能存在一種比較漂亮的跳舞方式讓電子在里面運動，即電子是否能有一種更有序的運動形式。如果能找到，就意味我們能更好地控制熱量或根本不會有熱量散出來，因為電子不需經常碰來碰去就不會有很多熱量消耗。”在張首晟的解釋下，這個聽上去艱深晦澀的理論變得通俗易懂。

2006年，張首晟提出了一個大膽的預言：“我們預言了一些材料，它們有非常奇妙的性質。如果把這些材料變成二維體系，那你會看到：電子全部行走在邊緣上，并且各行其道、互不干擾。”在這個預言里，他設定了具體的現象，預言了哪些材料在哪種情況下采用何種方法才會實現哪種效應。由此誕生了“量子自旋霍爾效應”理論。

“量子自旋霍爾效應”找到了一個新的規律，即電子自轉方向與電流方向之間的規律。利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地舞蹈，從而使能量耗散很低。張首晟說：“利用‘量子自旋霍爾效應’，有可能研制出新一代的電腦，延長摩爾定律的生命。”

2007年，實驗證明了張首晟提出的量子自旋霍爾效應理論，《科學》雜志把這一成果評為2007年十大科學進展之一。《科學》這樣評價說：“理論和實驗物理學家實現了預測的量子自旋霍爾效應，這是電子從某些材料中流過時在無外加磁場作用下的新奇行為。如果這一效應在室溫下工作，它可能導致新的低功率的‘自旋電子學’計算的設備。”

大膽的設想，勇敢的創新，讓張首晟用電子的自旋舞步在拓撲絕緣體的前沿研究領域書寫了濃墨重彩的一筆。

美在情懷：用“中國芯”演繹“中國心”

一條是擁擠不堪的馬路，一條是暢通無阻的筆直大道，張首晟給我們展示了兩張圖片，分別代表今天芯片內的信息阻塞和未來芯片中的信息高速公路。

“對中國，這是一個千載難逢的戰略機遇期，引領創新，并超越其他國家！”張首晟所言及的這個機會就是通過拓撲絕緣體的產業化應用，搶占科研的制高點，促進中國信息電子工業的自主創新，引導世界潮流。

過去幾十年中，信息技術一直按照“摩爾定律”保持著驚人的快速發展，很少有哪個產業能夠匹敵。目前來看，“摩爾定律”在未來幾十年中可能很難一直繼續奏效。對此，張首晟指出，這雖是一種危機，“但對科學家來說也意味著一個更加激動人心的時代，可以有機會通過創新打破以前的框架，開辟新的天地。”

雖然“量子自旋霍爾效應”的研究成果離真正投入應用還有一定距離，但這種新奇的物理現象有可能給未來的信息革命帶來重大影響，電腦甚至量子計算都將隨之發生巨大改變。他說：“科學界和工業界已達成共識，信息革命下一步的發展，一定要把‘信息高速公路’建到芯片的層次。這已經是全世界范圍的一個大趨勢。而‘量子自旋霍爾效應’的理論研究以及產業化開發，對科學界和信息產業界來說，這是一個全球重新洗牌機會。人類芯片史上有以下幾個革命：真空管、晶體管和集成電路，但其實從集成電路到現在，一直都沒有一個大的變化，這一機遇的重要性可能相當于當年集成電路的發明，相當于在在白紙上面畫最新的圖案。”

為了讓中國在這張白紙上畫出最美的圖案，張首晟一直關注國內的研究動態，并與國內研究人員展開了多種形式的合作。2009年，張首晟入選國家“千人計劃”，受聘成為清華大學高等研究院的教授，并與清華大學物理系開展了緊密的合作研究。他與清華和中科院合作，對拓撲絕緣體的研究取得了前所未有的進展，發現了能在室溫中保持良好性能的新材料，并做成半導體器件，使拓撲絕緣體的理論進一步得到證實。

桃李滿天下。

2011年，張首晟與清華大學薛其坤院士、中國科學院物理所方忠研究員等合作者獲得求是杰出科技成就集體獎，而之前，“求是杰出科學家獎”曾多次授于中國兩彈一星的元勛。“作為一個中國人，能夠在國內得到這么高的榮譽，能夠與為國家作出過突出貢獻的前輩們得到同一個獎，真的是莫大的鼓舞。另一方面，個人和集體同時獲獎，更是對團隊的肯定和認可。”張首晟強調，不可否認，正是因為理論與實驗兩個團隊在研究過程中進行了廣泛而深入的合作，才使得他們能夠在較短時間內取得一系列重要進展。這種創新性的合作模式，將理論與實踐緊密結合，充分發揮了不同專長研究人員的優勢，能夠拓寬研究者的視野，更容易激發出科技創新的火花，為今后科研工作的開展提供了很好的借鑒。

可以說，在每個海外學子心中都有一個“中國夢”。猶記60多年前，一批又一批海外科學家響應祖國的召喚，放棄國外先進的科研條件和優厚的待遇，紛紛回歸投身祖國建設，為發展新中國的工業、科研、教育和國防建設事業建立了卓越功勛，他們的歸國選擇改變了整個中國科技的發展歷程。如今，我國進入了科學發展的新階段，從科技是第一生產力到科學發展觀，科學成了時代的最強音，“祖國需要你們，祖國歡迎你們，祖國寄希望于你們”是新時代的召喚。

2012年6月，胡錦濤主席在兩院大會上重點提到了張首晟最近開創的新領域拓撲絕緣體，充分肯定了其圍繞國家發展重大戰略需求，瞄準世界科技前沿，銳意創新的精神。中國知識分子歷來就有以天下興亡為己任的傳統，“千人計劃”的平臺給了海外學者一個圓夢報效祖國的機會，在人才與科技的強勁支撐下，張首晟衷心地希望在自己這一代身上看到中華民族的偉大復興。

美在講臺：綻放璀璨的師道光芒

2012年6月，在恩師楊振寧先生的90大壽慶祝會上，作為楊先生的高足，張首晟作了飽含深情的發言，尤其振奮人心的是他自信的宣言：“我可能在學術上超不過您，但是我培養的學生一定會超過您的學生。”

張首晟說，除了學術成果，讓他同時自豪的是培養出了一批已成長為世界級的研究人才的清華學子。

一家的校園生活。

從踏上講臺的那一天開始，張首晟就一直在思索，大學最重要的究竟是什么？從多年海外求學和教學的經驗出發，他認為，有一個理念在國內還不是非常普遍，譬如美國的大學，前兩年是不分專業的，兩年之后再分專業。大學一開始不要太專，要有創新精神，首先知識面一定要廣。而大學非常可貴的是融聚了各行各業非常杰出的老師和人才。

“所以，在開始的兩年，重要的是把普及教育工作做好。”他鼓勵清華物理系的學生，在開始的兩年，多學一些別的知識，后面兩年足夠專攻物理。對別的專業的學生來說也一樣，大學時期，最好能夠發掘出新的愛好，因為可能就是某一門課，就讓你產生了興趣，進而就成了這方面的人才。

同時，他認為，大學應該產生新的思想引領社會，而這關鍵在于擁有自由的環境。美國幾所好的大學，就是能夠真正起到領導性的作用，通過一些新的思想帶動社會，而不是僅僅提供社會當下需要的人才。“我們看到的社會需求，肯定不是特別超前。而大學，是在一種非常自由的環境下，可以探討和摸索，才能夠真正創造出帶動社會發展的超前思想和技術。”譬如張首晟所在的斯坦福大學，就是因為它有這種自由的環境，才能誕生出Google和Yahoo這樣的公司來。超越了社會的需求，提出了引領社會的概念，這只有在比較寬松的環境中才能誕生。

這也正是中國大學需要培養的人才素質，“現在中國大學講得出、寫得下來的東西都能做得到，關鍵是現在寫不出來、還想不到的事情。”而怎么樣創造出這種環境，讓學生能夠去思考這些還想不到的事情，毫無疑問，這是重點，也是難點。

在張首晟的團隊里，他特別注重本科生的培養，因為年輕人有創意。知識和創意，是人類智慧的體現。知識可以通過時間和年齡的增加而積累；而創意，卻往往跟年輕聯系在一起，年輕人的創業激情和好奇心會帶來更多的靈感。因此，他更注重培養學生的創意意識，他強調，不能只是做一個會聽話、會聽指令做事的人，一定要做一個有自己想法的人。

說到這里，你不要以為張首晟是一個不茍言笑的“嚴師”。用他的話說，“嚴師”不一定要板著面孔，在清華任教期間，除了上課，他也常通過和本科生一起吃午飯“打在一起”，主張跨學科融合的他認為，“這也是一種融合”。他相信，他的知識加上年輕人的創意可以達到雙贏，團隊的成功才能達到全球性的成功。

“從現在整個世界的發展趨勢來看，我們需要新的人才，世界發展變化很快，不要只是適合當時發展的需要，重要的是能夠隨時看到形勢的變化，并利用形勢的變化，創造出新的知識和技術。”正是從這一點出發，張首晟以國際化的理念培養學生、打造團隊，為世界物理學界不斷輸送著具備突出研究能力、國際化研究視野、強烈自主創新精神和合作意識的優秀研究人才。

正是這樣的為師理念,使他桃李滿天下,張首晟的學生們己成為世界名校的教授,包括Harvard, Stanford,Princeton，UIUC，UCSD與清華等。他自己的兒子張晨波，也榮獲了2011年國際奧林匹克物理競賽金牌，現正在哈佛大學攻讀本科。

美在科學：心靈的浪漫之旅

法國數學家和物理學家龐加萊曾說過：“如果自然不美，它就不值得去探求。”

那么，在張首晟執著探求的物理世界里，藏著怎樣的美好呢？

牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦狹義跟廣義相對論方程、狄拉克方程、海森伯方程，以及另外的五六個方程，合在一起就是整個物理學的理論架。這些平常人看來干巴巴的方程，在物理學家眼里無疑是最美的，他們甚至稱之為“造物者的詩篇”，因為這些方程用非常濃縮的語言把廣大的宇宙之間包羅萬象的物理現象都準確地描述出來，并且隨著物理學的發展，時間的推移，它的內涵會產生新的當初完全沒有想到的意義。

在清華大學演講。

“這與詩有著類似的地方。”張首晟這樣解讀物理方程式。如果你能將許多復雜的現象簡化概括為一些方程式的話，那的確是一種美。詩歌是什么？詩歌是一種高度濃縮的思想，是思想的精粹。寥寥數行就道出了自己內心的聲音，袒露出自己的思想。而科學研究的成果，也是一首很美麗的詩歌。我們所探求的方程式就是大自然的詩歌。這是一首很美的詩。當我們遇到這些濃縮精粹的結構時，我們就會有美的感受；當我們發現自然界的一個秘密時，一種敬畏之情就會油然而生；當實驗數據、自然現象等等客觀因素與科學家的主觀情感在一個更高層次上達到和諧統一的時候，科學就和藝術一樣獲得了美感。

聽著這詩一般的語言，我們不禁心馳神往。也許這些深奧的科學定理或者定律，我們不能在自然現象中直接見到，而只有掌握了一定科學理論的人才能更深刻地感受到，但是，我們能從他的講述中感受到的是，這些理論之美就是科學家們最神往的美，并且正是這些美使得他們在冗長沉悶的工作中得到愉悅、欣慰，并成為研究科學巨大的動力之一。

所以張首晟說：“大自然很神奇，尋找果實的過程本身帶來的樂趣就是無限的。”正是帶著這樣的心態，忙碌著的他并沒有讓生活被工作占滿，他深信“科藝一家”：游泳、網球、歌劇、芭蕾……在生活中，他也在不斷地發現著美。如今，他也把這種信念傳授給自己的學生：不要整天把自己關在實驗室，科學研究也要來源于生活的靈感。

在科學與藝術的共同追求中，美一同構成了張首晟心靈的浪漫之旅。這段旅程正如他描摹的自己的科研夢想那般美好：

我在海邊尋找貝殼，在沙灘上留下了無數的腳印之后，在無數次浪潮褪去之后，一個貝殼突然出現在眼前，彎腰拾起貝殼的剎那，心里涌起的欣喜，真是人生的至高境界……