據多家媒體報道，12月1日，著名物理學家張首晟去世，享年55歲。
張首晟是斯坦福大學物理系、電子工程系和應用物理系終身教授，一直在拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應、自旋電子學、高溫超導等領域做研究，他領導的研究團隊于2006年提出的量子自旋霍爾效應被《科學》評爲2007年“全球十大重要科學突破”之一，他還被楊振甯認爲是下一個華人諾貝爾獎獲得者。所獲物理界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、尤裏基礎物理學獎等。
除了科學家身份以外，張首晟也是一名投資人，他于2013年創立了丹華投資，專注于投資最具顛覆性的創新科技和商業模式，並搭建起斯坦福、硅谷和中國的橋梁。
張首晟系美國華裔物理學家，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。
張首晟教授與楊振甯獎學金得主的座談會
注：本文根據張首晟教授于2013年8月26日在新加坡南洋理工大學與楊振甯獎學金得主的互動座談會整理而成，原載于《物理》2013年第11期。
在新加坡南洋理工大學2013年8月26日的互動座談會上，張教授分享了他個人特別是在拓撲絕緣體領域方面的研究經驗和心得。拓撲絕緣體的理論以及其應用前景，已經預示了技術産業的革命性發展。
張教授：感謝大家的邀請，十分榮幸能夠來到南洋理工大學和大家做一個近距離的互動。我個人覺得，作爲一名大學教授和教育工作者，最大的回報之一就是可以和年輕人保持緊密地聯系和接觸，同時讓自身保持年輕的心態。今年是我在斯坦福大學的第二十年。這二十年間，我們做了許多非常有趣的研究。而這當中，讓我特別有成就感的事情就是，很多我指導的博士生目前都在美國的頂尖研究機構和大學任教。說個題外話，來這裏之前，我的兒子告訴我，他的一位好朋友也在現場。我猜想他們是一起去了國際物理奧林匹克競賽。我的兒子和今天在場的其中一些楊振甯獎學金得主的年紀相仿。我在指導學生以及與就讀哈佛物理專業的兒子的互動過程中，時常思考如何幫助這些年輕人。所以，我希望今天我們可以有很好的互動，你們若有任何疑問，我也會盡量回答。
作爲報告的開始，我先向你們介紹有趣的課題——“什麽是拓撲絕緣體？”我認爲從事科學研究的人，最原始的驅動力應該是好奇心，而不是這個東西是否有應用價值。這個課題是始于提出疑問並尋找有趣的數學結構。當你開始觀察這個貌似抽象的課題時，你會發現兩個不常聯系在一起的詞彙：拓撲和絕緣體。拓撲是個非常抽象的數學原理，而在當今的數學界，拓撲理論絕對是其中一個最重要的分支。大家回想一下，就是在2003年，龐加萊猜想，這個數學領域最基本的猜想之一，在百年之後終于被證明了，而龐加萊猜想就是一個拓撲學中帶有基本意義的命題。與此同時，絕緣體是一個聽起來非常枯燥的材料，但它們卻可以廣泛地被應用，例如在半導體工業中。對于這兩個聽起來不相關的概念，我們還是設法把它們結合到了一起：一個是抽象的數學概念，一個則是種實際的應用材料。我們必須了解基礎研究對我們今天的信息社會的重要驅動作用，比如說摩爾定律（它是講述半導體晶片上的晶體管數量每18個月就會翻倍）。我們多次都面臨著如何持續增加晶片上可裝置晶體管數目的問題，但最終都能克服困難解決問題。很多工業，比如汽車工業，都只有相對平緩、線性的增長，但是半導體工業和信息産業的産品工作效率可以保持成指數增長，這就是理論驅動的力量。因爲有摩爾定律告訴我們，半導體晶片上的晶體管數量每18個月就會翻倍，或者計算速率每18個月就會翻倍，所以過去60年都是這樣。
座談會現場
60多年前，物理學家在信息産業的起步階段起了決定性的作用。在量子力學的理論指導下，我們把材料按照能級劃分，這就是能級理論。我們有價帶、導帶，如果絕緣體的費米能級在導帶和價帶之間，我們就有了空穴型半導體或者電子型半導體。這就譬如我們給你一個N型載體、空穴型載體，因爲這種材料的密度很低，我們可以做出很有趣的摻雜。半個多世紀前，物理學家巴丁和肖克利（John Bardeen and William Bradford Shockley）發明了晶體管，而其他物理學家建立了量子力學體系。此後，物理學家就把整個課題都交給了工程學家。因爲基礎理論已經了解清楚，而我們的好奇心再次驅使我們到另外一個更加有趣的課題，于是我們把這類問題留給了更加有能力處理工程問題的工程學家們來解決。在過去的六七十年裏，他們取得了非凡的成就，半導體工業和信息産業在這期間所創立的豐功偉績也應該歸屬于他們。但是，摩爾定律已經到達它的極限，無法持續幾何性的增長。由于基礎理論的關系，人們一直懷疑摩爾定律不能一直適用，但是，工程學家們非常聰明，每次遇到瓶頸的時候，他們都能找到某種方式來克服這些困難。現在理論上的難關是關于晶片散熱的問題。我們在晶片上組裝晶體管，每當晶體管的數目翻倍，它們所産生的熱量也就成指數量級增長。根據摩爾定律，當我們組裝越來越多的晶體管在晶片上面，它們所産生的熱量也就隨之增加，最終會導致晶片上的熱量過多，從而使晶片無法工作。
年輕人首先應該具有判斷黃金年代何時到來的智慧，才能有機會做出偉大的發現。六十年前，物理學家們起到了一個非常重要的作用。我們不僅建立了基礎原理體系（如量子力學），同時也發現了半導體材料。現在工程學家面臨著一個工程學無法解決的難題，所以這個難題就又要回到我們物理學家手中，這也預示著物理學家的黃金時代的到來。我們總說“危機”，中文中，“危”字代表危險，“機”的意思是機遇、機會。所以，作爲物理學家，我們應該感受到我們正處于一個非常重要的曆史時刻，我們必須保證當代文明按照信息年代的特征來持續發展，目前，問題的本質就是電子導致晶片過熱。我們的信息時代是建構在兩種基本粒子上，通訊是建立在質子的基礎上，而計算是建立在電子基礎上。光子之間的相互作用非常薄弱，它們可以遠距離傳輸信息而沒有什麽耗損，這也是選擇它們作爲遠距離信息傳輸載體的主要原因。但是，也因爲它們之間的相互作用很弱，所以很難被控制，沒有什麽旋鈕可以用來旋轉它們，進而使質子有不同的表現。我們之所以選擇電子來進行邏輯處理，主要是因爲電子之間的強相互作用。如果晶片裏面裝的是電子，相對晶片而言，電子就好像是晶片這個繁忙的集市裏面的法拉利跑車。新加坡也有一級方程式賽車，爲了確保比賽順利進行，我們必須進行清路。可想而知，如果讓世界上最好的賽車在繁忙的集市裏面行駛，它們也無法發揮出它們該有的狀態，因爲這些賽車會不停地互相碰撞，或者不停地撞到障礙物，其實，建一條高速公路就可以解決這個問題。高速公路的工作原理就是讓不同方向行駛的汽車奔馳在不同的單行線上。所以拓撲絕緣體就好像爲電子建了一條高速公路，這樣就不會有延遲和耗散等問題。
張教授在介紹“拓撲絕緣體”
在我們人類社會，不同的國家有不同的交通規則，好讓車輛順利行駛。比如新加坡是全世界爲數不多的靠右側通行的國家之一。不過，物質必須先有不同的電子能級狀態，才能規劃電子的運行軌道，在拓撲絕緣體中，電子是平行移動的，自旋向上的電子朝著一個方向前行，在右側時朝前行進，在左側時則朝後，而自旋向下的電子則是情況完全相反。按照以上的描述，可想而知，這個系統需要電子自旋，並且和軌道運動有著最基本的相互作用，也就是自旋—軌道相互作用。因此，我們不僅知道電子需要運行在所謂的“高速公路系統”，也知道什麽樣的基礎互動才能使電子這樣運行，亦即電子的自旋方向決定電子如何在物質中運動，這就是我們所發現的拓撲絕緣體的基本特性。對這個研究感興趣的同學可參閱2010年1月刊登在Physics Today（《今日物理》）雜志上的一篇文章，這篇文章按照物理本科生的水平，深入淺出地介紹了拓撲絕緣體。此外我們也有一篇Review of Modern Physics 的文章（Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang. Topological insulators and superconductors, Review of Modern Physics, 2011, 83: 1057），更加深入地闡述這項研究。
我相信在場的同學們很多都看過《生活大爆炸》，應該是在2011年，這部劇集提到了我們的研究：謝爾頓·庫珀一踏入教室就問大家是否聽過或了解拓撲絕緣體，那時大家都把手舉了起來。那一刻真的是非常特別也很難忘，因爲大學老師平常講課時只接觸大約100位學生，而就因爲我們創造的“拓撲絕緣體”這個詞彙，一息之間就有了四千萬的關注。我明早11點將在慶祝Freeman Dyson 90歲華誕的學術會議上報告更多關于拓撲絕緣體的內容，歡迎有興趣的同學參加。這大概就是拓撲絕緣體的故事。
現在，我想和大家分享一下爲什麽我覺得物理那麽有趣，那麽引人入勝。首先，拓撲這種數學概念完全是由抽象思想而出，拓撲理論研究在一百多年前開始發展。我想，數學家思考時最基礎的指導原則就是在構思概念時所能孕育的美感。坦白說，真正好的數學和不太好的數學有什麽分別呢？所有物理原則在某種程度上都能通過實驗來證實，因此從某種方面來看，物理和自然真理有很大的關系，因爲物理必須符合大自然的運行法則。數學卻不一樣。數學家能構思出和自然運行法則毫無關聯的公理系統。打個比方，比如說歐幾裏德幾何定理，因爲歐幾裏德認爲兩條平行線永遠不可能交叉這個觀察是非常明顯的事實，他從而推出他的公理系統。同樣地，之後也有其他數學家提議：“不如把這些公理推翻，開始奇異的新世界？”這也就奠定了黎曼幾何的基石。當數學家構思像黎曼幾何這樣的概念時，往往純粹是被美感而激發。數學的靈感其實是任何人都可以創造和現實毫無關系、屬于自己的一套數學系統，而這系統好不好是按個人的審美觀而定，因此說數學的靈感在于美感。
這種源自簡潔、被美感所激發的理論被證實的那種興奮我們也體會過。當愛因斯坦想用公式表達他的廣義相對論時，他很幸運地發現了數學家已經從純粹的抽象思維中構思出了黎曼幾何。而物理史上最偉大的時刻就是亞瑟·愛丁頓證實愛因斯坦的理論的那一刻。愛因斯坦當時使用了幾何，不過我想任何數學家都會同意拓撲比幾何更有基礎性。因此，當這些具有抽象美感的拓撲概念被證實時，雖然不及愛因斯坦當時的程度，不過卻具有相同的意義，也算是物理史中非常難得的時刻。這是其他學科較稀有的、物理研究所特有的時刻。其他學科主要依賴實證研究，在進行實驗時偶然發現一些現象，過後才試圖解釋這些現象。相比之下，物理研究更顯優雅。這就是物理令我如此著迷的原因，我也總是嘗試和年輕人分享我的心得，向他們強調，在物理史上以美感構思出的原理總是能一再地被證實，拓撲絕緣體研究正是最佳的一個例子。就如同其他學科一樣，當我們關注凝聚態物理和材料科學一路來的發展時，大多數的發現都非常偶然，例如超導體、量子霍爾效應、超流態等都是偶然發現的，磁性也是中國人兩千年偶然發現的。這些例子都是先有實證知識，而後才發展出抽象理論。拓撲絕緣體則是先構思出抽象理論框架。我們當初按著這些概念的指引，我們使用的數學框架竟然如此之強悍，以至于可以指引我們預測出真實存在的材料可以成爲拓撲絕緣體，甚至精准地預測出碲化汞這種材料。不僅如此，我們還預測了這些材料在什麽條件下可以展現拓撲絕緣體的特性，而這些預測一年後都被德國的一個實驗室所證實了。這些事實體現了我們對于自然法則的了解已經達到了可以實現如此精准的預測。作爲這個理論的構思者，我們就更加倍感驕傲，這樣的興奮想必愛因斯坦以及愛丁頓當時也感受過。
主持人：下面開始提問時間。
學生：您剛才在討論自旋極化電流，但是您如何把它和解決摩爾定律的問題聯系在一起？
張教授：這是個非常好的問題。很多材料都有強自旋—軌道耦合，比如，砷化镓這種非常普遍的材料。首先，在拓撲絕緣體中，電子是自旋—軌道耦合的，但是在很大程度上電子電流只在系統的邊界運動。所以如果有一個三維的材料，邊界就會是二維的；而二維材料的邊界就是一維的。它看起來就很像高速公路的單向車道，因此如果你有個方形的材料，在右手邊的向前運動，左手邊的向後運動。
所以就有兩種不同的可研究狀態，一種叫做量子自旋霍爾效應，另一種是量子霍爾效應。量子霍爾效應最先是在低溫強磁場中被觀察到的，但是如果有自旋—軌道耦合和磁性，就産生了量子反常霍爾效應。所以這是最接近高速公路系統的推論。總體來說，就是被磁化選擇，所以對于電子來說，在右手邊的向前運動，左手邊的向後運動。如果沒有磁場，就是個純拓撲絕緣體，一個無磁性的拓撲絕緣體，當存在這個自旋極化狀態時，自旋向上的電子可能是遵循一套交通規則，自旋向下的電子可能遵循另一套規則，這就好像自旋向上是新加坡，向下是中國。兩地有兩種不同的交通規則，這就是爲什麽他們可以在街道上同側行駛而不相撞的最根本原因。
可能我可以對在現場的同學們做一個問卷調查，在你們學習量子力學的時候，對你們來說哪個知識點是最難以理解的、最神奇的？Feynman曾經說過，第一次學量子力學就能明白的人一定在某種程度上是個白癡。這是有一定道理的。量子力學一定是非常難以理解的，對吧？像海森堡測不准原理等等，但是還有哪些？量子力學裏有很多讓人覺得匪夷所思的理論吧？
學生們：疊加狀態、量子糾纏、波函數塌縮、全同粒子……
張教授：好的，但是對于我來說，在我還是個學生的時候，量子力學裏最讓我困惑的，是個
非常不符合常理的現象：一個帶有二分之一自旋的電子，把它旋轉2π 的角度，它的波函數並沒有恢複到原來的狀態，它增加了一個負號。這個對于我來說就是“那個”最神奇的問題。事實證明，就是這個讓人費解的負號，避免了在同側行駛的兩個電子彼此相撞。如果它們相撞，或者因撞到東西而試圖回轉，那就總是有兩種不同的方式來回轉，而它們在電子自旋位移上的差距是2π個角度，而這導致了一個負號的産生。如果它們被向後散射，就會導致破壞性的幹涉。因爲在單行道的一側只有自旋向上的可以向前移動，自旋向下的可以向後移動，如果需要移動回去，總是有個負號伴隨著。所以這些事實讓人們了解爲什麽拓撲絕緣體和一些量子物理的基礎定律相關。
學生：既然720°的旋轉和麥比烏斯帶的拓撲結構有關，那麽拓撲絕緣體理論的提出是否對于量子力學的基礎有所影響呢？
張教授：非常好的問題！我不清楚在場同學們的量子力學學到了什麽程度，大家聽過量子力學中一個叫做克拉默斯定理（Kramers Theorem）麽？拓撲絕緣體的發現也和這個量子力學的基礎理論相關。克拉默斯理論描述一個時間可逆的不變量系統，對于一個半自旋粒子，它的能級總是必須構成偶極子。在拓撲絕緣體中，導帶，價帶，甚至在常見的絕緣體中，都可能存在一些表面態，可能是來自于導帶，而又回歸導帶；或者來自價帶，又回歸價帶的。事實上，在今天的半導體材料中，我們已經開始應用這種表面態，我們試圖使用電場來誘發這種表面態，但是它們總是從導帶來，再回去導帶；或者從價帶來再回去價帶。拓撲絕緣體的不同點在于，這些表面態連接了導帶和價帶，但是如果它們相連了，它們就會在一點交叉，而這一點就是一個時間可逆的不變量點。同時克拉默斯定理禁止避免彼此交叉。如果它們不彼此交叉就會返回原點，亦即，導帶回歸導帶，價帶回歸價帶。因爲克拉默斯定理說它們必須交叉，這就是這個理論的基礎。而克拉默斯定理的産生正是因爲當半自旋粒子旋轉2π的角度時，就會有一個負號産生。在微觀世界，我們是可以進行時間可逆的操作的，比如我們播放一個電影，我只需要把電影倒帶，在微觀世界，如果有時間可逆對稱的話，那麽你反轉時間軸，過去就會變成未來，未來變成過去。但是如果你如此往複兩次，過去變爲未來，然後這個未來又被變回過去，結果就是沒有變化。所以在微觀世界，時間被反演兩次，就好像什麽都沒有發生。不過對于微觀電子世界，你對于電子自旋做時間反演的操作，那麽時間反演改變了自旋方向，因爲自旋如同角動量，角動量是r×p，r是不變的，以及相對時間可逆的，而p有相對時間的導數，所以就是r和時間導數。所以自旋是r在時間可逆，我們發現反向的時間軸，自旋必須轉爲相反的方向。如果我把時間軸反轉一次，自旋向上變成
自旋向下。如果我再次反轉它，自旋向下變爲自旋向上。所以如果自旋可以像微觀世界的小箭頭一樣運作，那就好像我們什麽都沒有做。可是對于電子自旋來說，它恰好被旋轉了2π的角度，這樣就有一個負號。所以對于電子自旋來說，當進行兩次時間反演的操作之後，相對于初始態，終結態就會多一個負號，這就是克拉默斯定理的原因。所以這些理論和觀點都是有著意義深遠的聯系，首次接觸量子力學的人很難體會到其中深意的。
Prof. Peter Preiser（楊振甯獎學金項目主任）：可能我來問一個沒有那麽技術性的問題，因爲不是在場的每一個人都是量子力學的專家，我是一名生物學家，但是我認爲在場的很多人都在准備畢業，對于本科生來說，其中一個挑戰就是，他們該繼續報讀博士課程麽？未來將會怎樣？基礎科學的未來會是怎樣？你的建議是什麽？
張教授：我認爲每個人都經曆過類似的掙紮，我住在硅谷，很多不是我門下的斯坦福的學生，都有著完全不同的人生追求，他們的奮鬥目標是成爲下一個谷歌的創始人，當然這也是個非常宏偉的志向。在我是學生的時候，因爲曆史的原因，我是在德國接受的本科教育，我是通過中國官方的留學生交換計劃到德國學習的。那時候是20世紀80年代，我知道如果我學成回國，在國內是沒有什麽機會的，因爲國內當時基本沒有什麽基礎物理的研究的項目。很多我的同學都轉行學習了更加實用的學科，比如電子工程，或者是一些更加有實際應用的工程專業，從而可以通過制造儀器以更加直接和身體力行的方式去改變世界。所以當時在這個問題上，我還是非常糾結的。所以那個暑假，因爲是第一次去德國，我想環遊德國，可是因爲當時的經濟條件所限，我只能沿著德國的高速公路搭便車旅行，這個經曆也給了我對于德國的高速公路系統（autobahn）最直接的感受。出于自己的興趣和童年經曆，我對歐洲的曆史、文化、藝術以及建築都有所涉獵。所以每當我旅行到一個城市的時候，我總是非常欣喜，因爲了解城市的曆史，而且可以欣賞當地的建築、藝術和博物館等曆史遺迹。
但是當我結束了幾乎所有的旅程的時候，一個地方對我的人生追求有了決定性的影響，那就是哥廷根。它就是量子力學的發源地，我還記得那裏有個啤酒大廳，很多物理學家都會去那裏討論，在這個啤酒大廳的桌子上，麥克斯·波恩在一片餐巾紙上寫下|ψ(x)|2的方程式。所以在我的印象裏，這個地方是個聖地，可是更加神聖的不是城市廣場，或者是啤酒大廳，而是一個哥廷根的墓地。墓地是個沉思生命的意義的好地方。墓地是非常適合思考人生的目標和生命的意義。當你身處一個埋葬了很多著名的數學家和物理學家的墓地，哥廷根大學是個德國曆史最悠久的大學，很多著名的物理和數學家都在這裏學習和工作過。高斯（Carl Friedrich Gauss）曾經在這裏工作並且長眠于此，他的學生Bernhard Riemann 也曾經是哥廷根大學的一名教授，Otto Hahn是這裏的教授，Max Born和Werner Heisenberg也曾經在這裏工作和生活過。所以，在這片墓地，許多著名的物理學家和數學家的墓碑毗鄰而立。墓碑上的墓文都非常簡單，只有名字和生卒年份，這些和別的墓碑沒有什麽不同，其實很多其他的墓碑反而更多裝飾，他們的都只有很小的一個墓碑，但是上面總是有一個方程式或者是能概括最具有代表性的他們的科研成果。我還記得David Hilbert 的墓碑，因爲他的成就太多，比如他的23 個數學難題，這些是不可能都記載在他的墓碑上，所以墓碑只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”。這個墓志銘體現了他的堅定的決心，可能他指的就是他提出的23 個難題，我們必須知道答案。以中國人的說法，就是“死不瞑目”，因爲他去世的時候雖然他的23 個難題有一部分已經被解決了，但是很多還沒有答案，特別是他最喜歡的“黎曼假說”，至今未解。麥克斯·波恩的墓碑上刻的是測不准原理(pq – qp = h/2πi)。所以，這些都讓我們感受到生命的意義是留下一些可以永久保存的信息。在人類在這個星球存在之前，生物體在血肉之軀泯滅之後，唯一可以留下足迹的方法就是通過它們的基因。基因，按照我們今天的觀點，其實也是一種信息，所以在生物範疇，總是可行的。不過從人類文明的角度來說，除了繁殖，即通過我們遺傳給我們子女的基因之外， 我們還有另一種方式來傳承信息，與人類文明共存。人去世之後，經過世代繁衍，可能很難再辨認出他們的基因，不過他們創造的這條信息，這個知識，將會伴隨人類文明直至末日。
波恩教授的墓碑
希爾伯特教授的墓碑
所以，我最喜歡問我學生的一個問題是如果你要去諾亞方舟，而你只可以帶一張紙來總結人類文明的全部知識，會是拿破侖的名字麽？還是你會帶著E = mc2，這條體現了人類文明最高成就的方程？這個問題去年問非常好，因爲2012年是被某些人預言的世界末日。我覺得對我來說，這個答案是非常明確的，當然是應該帶著這個方程去諾亞方舟。所以在哥廷根的這個墓地，我領悟到了人生重要的一課：人生最高的追求應該是留下你創造的一些知識。從此以後，我就決心做一個物理學家，而不去考慮將來如何賺錢養活自己。但是當然，我想當今社會，還是有很多其他的方式來實現人生目標的，比如成爲另一個谷歌的創始人也是件很酷的事情。
學生：我們當中有些人可能不知道，張教授15歲初中畢業時跳過整個高中階段直接考入複旦大學，而且在他剛過而立之年的時候就已經成爲斯坦福大學的終生教授。張教授，您在進行您的研究的過程中，曾經經曆過什麽失敗麽？如果有，您是怎麽克服的？
張教授：我想在你進行科學研究的時候，絕大多數的時間你不可能聽到“謝耳朵”對著四千萬的觀衆講你的研究成果。你可能經常覺得你走入了一個死胡同，或者你沒有任何進展。在從事拓撲絕緣體的研究之前，我其實在做高溫超導方面的研究。
愛因斯坦、狄拉克和楊振甯這三種獨特的人格都完美地體現出了一種風格，我認爲這種風格是非常寶貴的。他們都有著最堅定的信念，那就是物理的最基本法則應該是被數學的美感所激發。比如，愛因斯坦認爲黎曼幾何非常適合被用來表述時空概念。去年（2012年），我非常榮幸地獲得了狄拉克獎章，狄拉克一直以來都是我心目中的英雄。所以，大家認爲他對物理最大的貢獻是什麽？狄拉克方程？或者說是他對正電子的預言？有時候，當我和一些非物理背景的人聊到狄拉克的時候，很多人都不清楚他是誰。但是當我提到《天使與魔鬼》的時候，每個人都知道（大家有看過這部Dan Brown 的小說或者由小說改編的電影麽？）在小說中，那枚要炸毀梵蒂岡的炸彈，就是個反物質炸彈，這個炸彈具有著人類可以想象出的最高的能量密度。狄拉克就是反物質的發現者，因爲一次他需要對一個公式開平方根，然後他忽然記起，按照高中所學的知識，對4進行開根號，會得到2和-2。所以你總會得到兩個根。從此，他聯想到所有的物質都應該有兩種不同的狀態，或者是物質的正能量狀態，或者是負狀態，亦即反物質。當然，楊振甯也是另外一個很好實例，他只是思考麥克斯韋爾方程的結構以及如何在數學上表達它，從阿貝爾變換群到非阿貝爾的變換，就發現了楊—米爾理論。而這個理論包含了自然界四種基礎力中的兩種。所以，這種思維方式或者邏輯對我一直有很深遠的影響和啓發，可惜它不總是能被成功地運用在科學研究中。
現場同學提問
我曾經試圖把這種邏輯應用到一個被認爲是凝聚態物理中最重要的難題之一：高溫超導的機理。所以我就用對稱的美感想出一個機理，高溫超導體是從它們的母態發展出來的，而這其實幾乎是與預期相反的。如果要發現超導體，你應該是從很好的導體開始，但是當貝德納茲和馬勒（Bednorz and Muller）發現超導體的時候，他們是從最差的導體開始的：一塊絕緣陶瓷。他們對它進行了加工，然後那塊陶瓷就變成了超導體。這種經驗觀察總是讓我感到非常感慨。所以我認爲這種反鐵磁的絕緣體和超導體其實是同一種物質，被一種由我命名爲SO(5)的對稱性統一起來。我是在1997年首次提出這個理論的。開始我非常幸運，在當時這是個被公認爲非常重要的領域，很多資深的理論物理學家都涉足其中。雖然我當時已經取得了正教授的職位，可是大家還是覺得我非常年輕。我提出了這個讓我深深爲之著迷的理論，而且我當時非常確定我已經解決了高溫超導的全部難題。所以我寫了一篇文章，題目爲“A unified theory based on SO(5) symmetry of superconductivity and antiferromagnetism”而且非常冒險地把這篇文章投到了Science（《科學》）雜志。那個時候，每個人都告訴我：“首晟，你絕對是沒有機會的，任何一個理論物理的審稿人都會立刻拒絕這篇文章的，他們怎麽能容忍競爭？”況且，在凝聚態物理中，人們不認同楊振甯、狄拉克和愛因斯坦的這種邏輯會真的成功，因爲他們沒有看到過先例。在當時，盡管每個人都說會被立刻拒稿，可是《科學》雜志還是決定把那篇文章送出去給審稿人。這個舉動本身已經非常難得了，更令人吃驚的是，我的文章在一個月之內就立刻被接收了，只被要求有些細微改動（Shou-Cheng Zhang. Science, 1997, 275: 1089）。長達五頁的純理論文章，對于《科學》雜志來說已經是非常罕見的了，而凝聚態物理方向的如此長度的理論文章之前更是從來沒有在《科學》雜志上發表過。恰恰是在我文章發表之後，大範圍的攻擊開始了。所有資深的理論物理學家開始攻擊我的理論。其實一般情況下，在這個領域你只會得到兩種反應：人們或者說這個不對，或者說“我之前做過這個東西”。所以，我想那時候大概是70%的人不認同我的觀點，另外的30%認爲這是他們之前就做過的東西。其實這個理論的確還是有所成就，我想這篇文章到目前爲止已經被引用了700多次，而且也有人把他們的研究建立在我的理論之上。但是我很清楚這個理論在短期內是不可能被廣泛接受的。我真的是被我導師的風格所影響，同時也由衷希望能用這種風格來進行研究，我認爲理論物理的研究是應該這樣開展的：當你構思出美麗的數學理念之後，大自然會在某種程度上認可這種美感。因爲意識到我的理論無法被廣泛接受，我的確消沉了幾年。在那個時候，我可以有兩種反應，一種就是我可以繼續鑽研這個課題，並爭取世人的廣泛認同，這樣做也是非常理想的選擇。在基礎物理學領域中，愛因斯坦的相對論、楊—米爾理論、奇偶性、狄拉克的方程等等非常多的實例已經證明：人們構思了一個美麗的概念之後，大自然立刻就認同了這種美感。但是在凝聚態物理領域，這種情形從未發生過。我努力嘗試過了，但是卻不是很成功。在當時我是非常糾結的，我想我的確有很多其他的機會，不過如果我繼續堅持物理研究，我最感興趣的還是用這種風格來研究物理。後來我嘗試了其他的一些方向，最終我發現了拓撲絕緣體，而且大家應該都能夠認同，拓撲絕緣體的研究其實就是狄拉克風格的完美體現。
學生：在量子場物理領域，特別是粒子物理領域，學者們提出過很多理論。在上世紀七八十年代非常流行的就是自舉理論，可是後來出現的量子色動力學取代了它。量子色動力學是現在最熱門的理論，但是是否有可能，由于太多東西需要被解釋，量子色動力學和自舉理論在不同層面來講，其實都是正確的？或者說量子色動力學只是能解釋一部分事實。
張教授：首先，自舉（bootstrapping）理論不是錯誤的理論，它只是不夠強大。很多非常聰明的人在這個領域鑽研了很多年，而且這個理論也有自己的數學美感，這個理論有很多複雜的東西。我特別喜歡一個叫做“核民主”的理念，它聽起來很深奧。我認爲這個理論問題主要在于不夠強大。
量子色動力學也不是一個被完全理解的理論。2000年美國克雷數學研究所設定的千禧年七大猜想就包括了黎曼假設和楊—米爾理論。誇克的不可見性還無法從數學上解釋。我們有一些想法，但是無法確認。因爲楊—米爾理論是關于強相互作用，我們可以解釋說在很高很高的能級，耦合變弱。但是我們無法解釋在低能量狀態，強耦合的情況。所以，很多人一直在研究這個數學難題，新觀點不斷湧現。即使我們無法解決楊—米爾理論，或多或少可以從數學的角度解決這個理論的超對稱版本，而且是絕對具有美感的。Seiberg 和Witten已經找到部分答案。很多關于二元性、磁單極子的想法就可以被驗證。還有一個問題，就是這些理論無法被分析式地解決。很多人試圖把這些問題輸入電腦來解決，卻至今還沒有得到答案。IBM的華生超級計算機就是被楊—米爾難題催生的，而且他們還搭建了一台量子色動力學機器來試圖解決這個問題。我相信人們接受這個基礎理論是因爲你可以計算它，而從電腦計算得出的結果不是可以感知的。
學生：張教授您好，您曾經提到過拓撲絕緣體的工業化至少還要五年的時間，您有想過參與一些工程類或者是一些公司的研發麽？
張教授：對，按照美國的傳統，防禦高等研究項目機構（DARPA）的項目很多都是會成功地被實體化成一個公司。美國的科研經費審發機構有能源部、國家科學基金，這兩個機構基本上不管有沒有應用的可能性，只要科學上有價值就可以，但是DARPA如果投資的話，會優先考慮那些未來有一定商業價值的項目。DARPA願意在私有資産進入之前先承擔這個風險，可能再做一兩年，如果真的能夠看到這個項目的應用前景，我想私有資産在這個時候應該會開始接手。
學生：如果拓撲絕緣體真的能夠工業化的話，可能會導致半導體和信息産業的重新洗牌，但是您會不會覺得拓撲絕緣體的原材料會是産品工業化的一個限制？
張教授：的確，現在找到的原材料都是比較稀有的那種，但是我們在2008年有一個理論上的預言，今年也被一位華人教授杜瑞瑞所證實。這個材料叫砷化铟/銻化镓（InAs/GaSb），這個材料在半導體工業還是很普遍的。所以可能這五年之內要做的事情還是很多的，但是我們可以平行進行。我們現有的拓撲絕緣體材料，可能需要有一些特殊的加工才能應用到實際生産中，但是我們可以先把它的原理搞清楚。與此同時也要去開發一些新材料，希望這些材料能夠更加常規，最好是能夠和現有的半導體技術結合起來。
學生：現在的年輕人在選擇研究理論物理的時候需要下很大的決心。您覺得他們需要具備什麽樣的特質才適合理論物理方面的研究呢？
張教授：我覺得還是要感到它的美。做理論研究一般有兩種情況，一種情況是，你的課題很多人都在做，你跟大家交流的時候也很熱鬧，但是這個課題的研究價值就不那麽大，因爲這個框架肯定是別人先創造的。另一種情況是，你需要自己創造一個框架，那麽你肯定非常孤獨。所以這種情況下要有一種驅動力，要有一種信念，要有一種信仰，而這些的確也需要有某種特質的人才可以做到。但是我想對于學生來說，可以從小的成果積累到大的成功。在學習的過程中，我想一個好的理論物理的學生應該很容易被一些大師的事迹所激勵。比如說，看到狄拉克的故事，看到楊振甯的故事，他會覺得備受鼓舞，這些都會影響他日後的研究風格。所以我們今天有這樣的機會可以與楊振甯獎學金得主互動是非常好的，因爲這些大師也在用他們的精神指導我們。
學生：知識産業等工業要有質變性的發展是必須依靠理論研究的支持的，所以保證理論物理的生源是非常重要的，您覺得會有越來越多的學生投身理論物理的研究麽？
張教授：對，我想這個肯定可以保證，因爲大家整個社會的財富總是在增加。比如說我們在美國可以看到這個現象：第一輩我們國內出來的人，可能因爲考慮要先能站穩腳跟，所以往往選擇做工程等一些比較實用的專業。但是他們孩子的選擇就沒有這方面的局限，因爲第二代不需要爲生活擔心。所以，我想可能會有越來越多的人會選擇進行理論物理的研究。
學生：您曾經提到過，您的啓蒙教育是藝術、哲學、曆史等社會科學，您覺得這些經曆對您日後的研究有什麽影響麽？
張教授：的確有非常重大的影響。比如說曆史，我們不要講科學史，就講我們通常的曆史，歐洲的曆史，中國的曆史，你說這些對于研究理論物理有什麽幫助？表面看上去並沒有太多關聯。但是你看曆史的話你就會想到一個問題，就是什麽東西能夠留下來，什麽東西不能留下來。其實在從事科學研究方面，當到達了某種技術層面，大家的專業技能都是旗鼓相當的。比如說，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。但是爲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，因爲大家能力都很接近，都在競爭，面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。最後的結果一般是只有一個人成功，而且往往從技術層面上說，最後成功的這個人並不一定那麽厲害，他成功是因爲他選擇了對的方向。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，對于你在這個選擇關頭，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。我的小學和初中時期剛好趕上“文革”，所以從小我就經常在自己家裏的閣樓上面讀書，都是一些關于歐洲哲學史、歐洲藝術史之類的書籍。國內那時科學方面的書籍也不是很多，雖然我的父親是學工程專業的，但是我的伯父們都是學習人文的，而他們留下的書都是關于哲學、藝術、美術之類的，所以我的啓蒙教育反而是在人文科學方面。其實直到現在，我還是對這些人文的東西非常感興趣。
本文選自《物理》2013年第11期，點擊這裏閱讀原文。
編輯：可樂不加冰
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