探寻科学诗意之美——访“千人计划”国家特聘专家、清华大学高等研究院张首晟教授

本刊记者 叶瑞优 刘 佳

张首晟荣获凝聚态物理最高奖, Oliver Buckley奖。

2012年8月8日，作为国际理论物理最高奖项的“狄拉克奖”，在本年度授予了出生在上海，并曾就读于复旦大学物理系的华人科学家张首晟。狄拉克是量子力学的奠基者之一，因狄拉克方程获得1933年诺贝尔奖。狄拉克奖章是国际理论物理中心在1985年为纪念英国物理学家狄拉克而设置的年度性奖项，它是国际理论物理和数学物理领域的最高荣誉。

张首晟是第一个以理论预言拓扑绝缘体材料的学者，他的理论和实践将为信息技术带来革命性发展。这一成果让他在2010年获欧洲物理学会颁发的欧洲物理奖，2012年获美国物理学会颁发的凝聚态物理最高奖奥利弗·巴克利奖，加上今天获得的狄拉克奖，张首晟已经荣获国际物理学界的三大顶级奖项。

一粒砂里有一个世界，

一朵花里有一个天堂。

把无穷无尽握于手掌，

永恒宁非是刹那时光。

张首晟很欣赏18世纪英国浪漫主义诗人威廉·布莱克的这几行诗句。

尽管在大多数人眼中，理论物理是高深莫测的，甚至是枯燥的。但是在他的口中道来，却如同在读着一首优美的诗，在欣赏气势恢弘的交响乐。如一枚硬币的两面，科学和艺术都源于人类活动最高尚的部分，都追求着深刻性、普适性、永恒和富有意义。即便它们在山脚下没有交集，然而在山顶上，它们必然殊途同归，无数大师执着地攀登，只为领略到顶峰上科学与艺术交汇所生的无限江山。

张首晟——这位15岁入读复旦大学，16岁只身赴德留学，32岁成为美国斯坦福大学终身教授的物理学家——更像是艺术家。一路走来，他深深地沉醉在物理学这个广袤无垠的世界，他无时无刻不在思考探寻着物理学的美、物理学的意义和物理学的未来；他像一位诗人, 飘逸洒脱地领悟宇宙的永恒与时光的刹那。这一切，就像他用带着虔诚的语气所说的那样：“真理往往是美的，那蕴藏于自然界中的真理之美，吸引着我不断地探究。”

美在旅途：从小阁楼到斯坦福

“日月光华，旦复旦兮”，百年学府复旦大学从诞生之日起就屹立在新旧时代嬗变的潮头。见证过它第一声高亢的啼鸣，见证过革命与学术的火种在复旦生生不息的人们早已离我们而去。而历史终会留下印记，能让我们从中读出那段辉煌。2005年，在复旦大学迎来百年华诞之际，张首晟向母校捐献了祖父张彝先生珍藏的百年文凭。这是迄今为止发现的最早的一张复旦大学毕业文凭，也是目前国内发现的最早的大学毕业文凭。

张首晟就成长在这样一个弥漫着书香的家庭。

他的少年时代是不幸的，因为那是一个不能够读书的时代；他的少年时代也是最幸运的，因为家里有一个藏书阁。那是一幢堆藏着旧书的阁楼，在那里，除了有祖父和伯父们的大学留言册之外，更有数不清的书。

那时候，他一有空就钻进阁楼，读了很多书，东西方文学艺术、哲学、科学他都有所涉猎。通过这些书，他接触到了西方世界许多最伟大的哲学家、科学家和文学艺术家：柏拉图，康德，黑格尔；迦利略，牛顿，爱因斯坦；歌德，海涅，以及瓦格那……这些伟大的灵魂把藏书阁变成了思想的天堂，艺术与科学在他身上实现了最初的交汇，他也由此拥抱了比外面更广阔的世界。

所以，可以说，正是在那时，他便对科学作出了终生选择；小阁楼，成了将他引向科学的起点。终于，“读书无用”的时代结束了，科学的春风雨露催生着埋藏在厚土之下的种子，等着它们破土而出。张首晟便是那颗早已积聚了营养、蓄势待发的种子。1978年，在没有上过高中的情况下，刚刚初中毕业的他就以遥遥领先的考分破格考上了复旦大学物理系。

带着15岁少年特有的青涩与激扬，张首晟走出了小阁楼，走进了大学校园。他的优秀再一次使他脱颖而出，不到一年，他就意外地获得国家教育部消息：他已经被选拔为国家派往西方国家的留学生。1983年，年仅20岁的张首晟获得了柏林自由大学物理硕士学位。

张首晟在美国纽约州立大学石溪分校师从杨振宁攻读博士学位。

接下来的一切也都显得那么顺利：1983年，他进入美国纽约州立大学物理系攻读博士学位，师从著名物理学家杨振宁教授；1987年，他获得博士学位。同年，进入加州大学的圣芭芭拉分校从事博士后研究；1989年底，他结束了博士后研究，与妻子一起到IBM继续从事科学研究工作；1993年，他被斯坦福大学物理系聘为副教授。

从此，他进入了现代物理学研究的前沿。

斯坦福大学物理系在现代物理学研究领域中居于领先地位，这个系的教授们曾连续四年每年获得诺贝尔物理奖，这在诺贝尔奖历史中极为少见的传奇。

历史把年轻的张首晟放到了这个特殊的位置，注定了他要创造属于自己的传奇。1994年张首晟重新进入了现代物理学的尖端领域——超导性研究。这项研究他四年前年就开始了，但时有间断。到斯坦福大学之后，他再一次将他研究的锋芒集中到这个前沿领域。超导性是指导电材料的电阻和体内磁感应强度在温度和磁场都小于一定数值的条件下突然变为零的性质。在超导态中，物体的热、电、磁等性质都与正常态迥异，超导体的奇特性质激发了很多科学家的研究兴趣，这项研究的每一个进步都与造福人类有密切关联。

1995年，年仅32岁的张首晟以他出色的研究能力获得了斯坦福大学物理系终生教授的位置。

同一时期他的超导研究也进入了关键——他期待着一个重大突破。但这突破却遇到了极大阻力：他没有办法提出一个合理的理论来解释超导实验中出现的众多复杂现象，对这些现象许多物理学家都试图给出解释，但却没有一个人可以提供令人满意的答案。

张首晟捐赠祖父的复旦毕业文凭。

1996年春，就在他一筹莫展之际，他想起了当年在藏书阁里的阅读时光，他想起了从爱因斯坦以及其它科学家所发现的科学原理中总结出的较高层次原理，那时，他就觉得那些原理的倾向具有共性的美，那就是：Simplicity（简洁）和Universality（包罗万象）。当他凭信心站到这个更高层次上的时候，他苦苦寻求的原理经出乎意料清晰地呈现了出来——他只用了一个简洁的、对称性原理 (后被称为SO(5)理论) 就解释清楚了超导性研究中那许多科学家无法解释的复杂现象。从此，这个经由张首晟自己总结出来的审美定义就成了他衡量一切科学理论的标准。

1997年2月21日出版的美国《科学》杂志刊登了张首晟的这篇重要论文。张首晟所提出的这个理论是超导研究中的重要突破，这个突破成为张首晟人生中一个标志性的起点——这个起点把他引入了更美、更广阔、更深远的科学旅程。

美在创新：拓扑绝缘体的自旋舞步

上世纪60年代，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出：集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，而性能也将提升一倍。近半个世纪以来，这一定律见证了人类信息技术前进的步伐。但是，随着晶体管越小越密集，发热问题也就越突出，晶体管电路已逐渐接近性能极限。由此，业界惊呼：摩尔定律将死！

能否在室温条件下，不用加上强磁场也能达到让电子规律运动的方式呢？2003年，为应对摩尔定律即将失效的问题，张首晟等人组建了“IBM——斯坦福自旋电子研究中心”，并于2006年将其基于芯片业未来提出的新构想——通过电子的自转来降低其能耗——在理论上完成了预言。

那么，什么是电子的自旋？

张首晟形象地介绍：导体是能量运输的命脉，电子是导体中的能量搬运工，它除了负有电荷以外还具有一种自旋性质，就如同地球绕着太阳转，而地球本身也在自转一样。而在一般条件下，电子的运动是无序的，这就好比很多人在跳舞，每个人的舞步都不一样，毫无规律可循。

“这种无规律的运动不可避免地会发生碰撞，碰撞就会导致能量的损耗。所以我们一直在思考，大自然是否可能存在一种比较漂亮的跳舞方式让电子在里面运动，即电子是否能有一种更有序的运动形式。如果能找到，就意味我们能更好地控制热量或根本不会有热量散出来，因为电子不需经常碰来碰去就不会有很多热量消耗。”在张首晟的解释下，这个听上去艰深晦涩的理论变得通俗易懂。

2006年，张首晟提出了一个大胆的预言：“我们预言了一些材料，它们有非常奇妙的性质。如果把这些材料变成二维体系，那你会看到：电子全部行走在边缘上，并且各行其道、互不干扰。”在这个预言里，他设定了具体的现象，预言了哪些材料在哪种情况下采用何种方法才会实现哪种效应。由此诞生了“量子自旋霍尔效应”理论。

“量子自旋霍尔效应”找到了一个新的规律，即电子自转方向与电流方向之间的规律。利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地舞蹈，从而使能量耗散很低。张首晟说：“利用‘量子自旋霍尔效应’，有可能研制出新一代的电脑，延长摩尔定律的生命。”

2007年，实验证明了张首晟提出的量子自旋霍尔效应理论，《科学》杂志把这一成果评为2007年十大科学进展之一。《科学》这样评价说：“理论和实验物理学家实现了预测的量子自旋霍尔效应，这是电子从某些材料中流过时在无外加磁场作用下的新奇行为。如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的‘自旋电子学’计算的设备。”

大胆的设想，勇敢的创新，让张首晟用电子的自旋舞步在拓扑绝缘体的前沿研究领域书写了浓墨重彩的一笔。

美在情怀：用“中国芯”演绎“中国心”

一条是拥挤不堪的马路，一条是畅通无阻的笔直大道，张首晟给我们展示了两张图片，分别代表今天芯片内的信息阻塞和未来芯片中的信息高速公路。

“对中国，这是一个千载难逢的战略机遇期，引领创新，并超越其他国家！”张首晟所言及的这个机会就是通过拓扑绝缘体的产业化应用，抢占科研的制高点，促进中国信息电子工业的自主创新，引导世界潮流。

过去几十年中，信息技术一直按照“摩尔定律”保持着惊人的快速发展，很少有哪个产业能够匹敌。目前来看，“摩尔定律”在未来几十年中可能很难一直继续奏效。对此，张首晟指出，这虽是一种危机，“但对科学家来说也意味着一个更加激动人心的时代，可以有机会通过创新打破以前的框架，开辟新的天地。”

虽然“量子自旋霍尔效应”的研究成果离真正投入应用还有一定距离，但这种新奇的物理现象有可能给未来的信息革命带来重大影响，电脑甚至量子计算都将随之发生巨大改变。他说：“科学界和工业界已达成共识，信息革命下一步的发展，一定要把‘信息高速公路’建到芯片的层次。这已经是全世界范围的一个大趋势。而‘量子自旋霍尔效应’的理论研究以及产业化开发，对科学界和信息产业界来说，这是一个全球重新洗牌机会。人类芯片史上有以下几个革命：真空管、晶体管和集成电路，但其实从集成电路到现在，一直都没有一个大的变化，这一机遇的重要性可能相当于当年集成电路的发明，相当于在在白纸上面画最新的图案。”

为了让中国在这张白纸上画出最美的图案，张首晟一直关注国内的研究动态，并与国内研究人员展开了多种形式的合作。2009年，张首晟入选国家“千人计划”，受聘成为清华大学高等研究院的教授，并与清华大学物理系开展了紧密的合作研究。他与清华和中科院合作，对拓扑绝缘体的研究取得了前所未有的进展，发现了能在室温中保持良好性能的新材料，并做成半导体器件，使拓扑绝缘体的理论进一步得到证实。

桃李满天下。

2011年，张首晟与清华大学薛其坤院士、中国科学院物理所方忠研究员等合作者获得求是杰出科技成就集体奖，而之前，“求是杰出科学家奖”曾多次授于中国两弹一星的元勋。“作为一个中国人，能够在国内得到这么高的荣誉，能够与为国家作出过突出贡献的前辈们得到同一个奖，真的是莫大的鼓舞。另一方面，个人和集体同时获奖，更是对团队的肯定和认可。”张首晟强调，不可否认，正是因为理论与实验两个团队在研究过程中进行了广泛而深入的合作，才使得他们能够在较短时间内取得一系列重要进展。这种创新性的合作模式，将理论与实践紧密结合，充分发挥了不同专长研究人员的优势，能够拓宽研究者的视野，更容易激发出科技创新的火花，为今后科研工作的开展提供了很好的借鉴。

可以说，在每个海外学子心中都有一个“中国梦”。犹记60多年前，一批又一批海外科学家响应祖国的召唤，放弃国外先进的科研条件和优厚的待遇，纷纷回归投身祖国建设，为发展新中国的工业、科研、教育和国防建设事业建立了卓越功勋，他们的归国选择改变了整个中国科技的发展历程。如今，我国进入了科学发展的新阶段，从科技是第一生产力到科学发展观，科学成了时代的最强音，“祖国需要你们，祖国欢迎你们，祖国寄希望于你们”是新时代的召唤。

2012年6月，胡锦涛主席在两院大会上重点提到了张首晟最近开创的新领域拓扑绝缘体，充分肯定了其围绕国家发展重大战略需求，瞄准世界科技前沿，锐意创新的精神。中国知识分子历来就有以天下兴亡为己任的传统，“千人计划”的平台给了海外学者一个圆梦报效祖国的机会，在人才与科技的强劲支撑下，张首晟衷心地希望在自己这一代身上看到中华民族的伟大复兴。

美在讲台：绽放璀璨的师道光芒

2012年6月，在恩师杨振宁先生的90大寿庆祝会上，作为杨先生的高足，张首晟作了饱含深情的发言，尤其振奋人心的是他自信的宣言：“我可能在学术上超不过您，但是我培养的学生一定会超过您的学生。”

张首晟说，除了学术成果，让他同时自豪的是培养出了一批已成长为世界级的研究人才的清华学子。

一家的校园生活。

从踏上讲台的那一天开始，张首晟就一直在思索，大学最重要的究竟是什么？从多年海外求学和教学的经验出发，他认为，有一个理念在国内还不是非常普遍，譬如美国的大学，前两年是不分专业的，两年之后再分专业。大学一开始不要太专，要有创新精神，首先知识面一定要广。而大学非常可贵的是融聚了各行各业非常杰出的老师和人才。

“所以，在开始的两年，重要的是把普及教育工作做好。”他鼓励清华物理系的学生，在开始的两年，多学一些别的知识，后面两年足够专攻物理。对别的专业的学生来说也一样，大学时期，最好能够发掘出新的爱好，因为可能就是某一门课，就让你产生了兴趣，进而就成了这方面的人才。

同时，他认为，大学应该产生新的思想引领社会，而这关键在于拥有自由的环境。美国几所好的大学，就是能够真正起到领导性的作用，通过一些新的思想带动社会，而不是仅仅提供社会当下需要的人才。“我们看到的社会需求，肯定不是特别超前。而大学，是在一种非常自由的环境下，可以探讨和摸索，才能够真正创造出带动社会发展的超前思想和技术。”譬如张首晟所在的斯坦福大学，就是因为它有这种自由的环境，才能诞生出Google和Yahoo这样的公司来。超越了社会的需求，提出了引领社会的概念，这只有在比较宽松的环境中才能诞生。

这也正是中国大学需要培养的人才素质，“现在中国大学讲得出、写得下来的东西都能做得到，关键是现在写不出来、还想不到的事情。”而怎么样创造出这种环境，让学生能够去思考这些还想不到的事情，毫无疑问，这是重点，也是难点。

在张首晟的团队里，他特别注重本科生的培养，因为年轻人有创意。知识和创意，是人类智慧的体现。知识可以通过时间和年龄的增加而积累；而创意，却往往跟年轻联系在一起，年轻人的创业激情和好奇心会带来更多的灵感。因此，他更注重培养学生的创意意识，他强调，不能只是做一个会听话、会听指令做事的人，一定要做一个有自己想法的人。

说到这里，你不要以为张首晟是一个不苟言笑的“严师”。用他的话说，“严师”不一定要板着面孔，在清华任教期间，除了上课，他也常通过和本科生一起吃午饭“打在一起”，主张跨学科融合的他认为，“这也是一种融合”。他相信，他的知识加上年轻人的创意可以达到双赢，团队的成功才能达到全球性的成功。

“从现在整个世界的发展趋势来看，我们需要新的人才，世界发展变化很快，不要只是适合当时发展的需要，重要的是能够随时看到形势的变化，并利用形势的变化，创造出新的知识和技术。”正是从这一点出发，张首晟以国际化的理念培养学生、打造团队，为世界物理学界不断输送着具备突出研究能力、国际化研究视野、强烈自主创新精神和合作意识的优秀研究人才。

正是这样的为师理念,使他桃李满天下,张首晟的学生们己成为世界名校的教授,包括Harvard, Stanford,Princeton，UIUC，UCSD与清华等。他自己的儿子张晨波，也荣获了2011年国际奥林匹克物理竞赛金牌，现正在哈佛大学攻读本科。

美在科学：心灵的浪漫之旅

法国数学家和物理学家庞加莱曾说过：“如果自然不美，它就不值得去探求。”

那么，在张首晟执着探求的物理世界里，藏着怎样的美好呢？

牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦狭义跟广义相对论方程、狄拉克方程、海森伯方程，以及另外的五六个方程，合在一起就是整个物理学的理论架。这些平常人看来干巴巴的方程，在物理学家眼里无疑是最美的，他们甚至称之为“造物者的诗篇”，因为这些方程用非常浓缩的语言把广大的宇宙之间包罗万象的物理现象都准确地描述出来，并且随着物理学的发展，时间的推移，它的内涵会产生新的当初完全没有想到的意义。

在清华大学演讲。

“这与诗有着类似的地方。”张首晟这样解读物理方程式。如果你能将许多复杂的现象简化概括为一些方程式的话，那的确是一种美。诗歌是什么？诗歌是一种高度浓缩的思想，是思想的精粹。寥寥数行就道出了自己内心的声音，袒露出自己的思想。而科学研究的成果，也是一首很美丽的诗歌。我们所探求的方程式就是大自然的诗歌。这是一首很美的诗。当我们遇到这些浓缩精粹的结构时，我们就会有美的感受；当我们发现自然界的一个秘密时，一种敬畏之情就会油然而生；当实验数据、自然现象等等客观因素与科学家的主观情感在一个更高层次上达到和谐统一的时候，科学就和艺术一样获得了美感。

听着这诗一般的语言，我们不禁心驰神往。也许这些深奥的科学定理或者定律，我们不能在自然现象中直接见到，而只有掌握了一定科学理论的人才能更深刻地感受到，但是，我们能从他的讲述中感受到的是，这些理论之美就是科学家们最神往的美，并且正是这些美使得他们在冗长沉闷的工作中得到愉悦、欣慰，并成为研究科学巨大的动力之一。

所以张首晟说：“大自然很神奇，寻找果实的过程本身带来的乐趣就是无限的。”正是带着这样的心态，忙碌着的他并没有让生活被工作占满，他深信“科艺一家”：游泳、网球、歌剧、芭蕾……在生活中，他也在不断地发现着美。如今，他也把这种信念传授给自己的学生：不要整天把自己关在实验室，科学研究也要来源于生活的灵感。

在科学与艺术的共同追求中，美一同构成了张首晟心灵的浪漫之旅。这段旅程正如他描摹的自己的科研梦想那般美好：

我在海边寻找贝壳，在沙滩上留下了无数的脚印之后，在无数次浪潮褪去之后，一个贝壳突然出现在眼前，弯腰拾起贝壳的刹那，心里涌起的欣喜，真是人生的至高境界……