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找到拓撲絕緣體的人走了,為我們在巨大未知中留下一束光

張首晟去世了,55歲。

如果我們冒昧地總結他的一生,有一個關鍵詞,特別醒目:天才的物理學家。

驚艷的物理少年

跟故事裡的很多天才一樣,張首晟有著驚艷的少年時光。

他1963年出生於上海,早在童年的時候,張首晟就深受啟發。小學期間正值「文化大革命」,那時候科學類書籍很少,所以家裡閣樓里能找到的任何書籍他都會看。那裡所有的書本都是叔叔們留下的,他們研究的是人文科學。所以,儘管他父親是工程專業的,但是他早期的童年教育主要是關於人文科學的。即便後來,他也仍然非常喜歡這些學科。

15歲時恰逢高考恢復,他爸拿一套數理化叢書,讓他自學。張就這樣讀了一個暑假,本想試一下,結果就考上了——復旦物理系。

求學之路對於張來說,如同是一部快進的電影:

16歲,在復旦讀了一年,他被國家選中,公派留學;

1980年,他赴德國柏林自由大學留學,當時他有五年的獎學金,卻只花了三年就完成了物理學位;

20歲,取得了德國碩士。一次在德國大學城哥廷根參觀科學家墓地時,墓碑上都刻著的公式吸引了他的注意。這些簡單的公式總結了科學家們輝煌的人生,這讓他感覺到什麼叫做世界因你而美麗;

接著,他赴美國紐約州立大學石溪分校深造,到楊振寧的門下攻讀物理學博士,24歲那年獲博士學位;

32歲,他成了斯坦福大學正教授,是這所頂級學府最年輕的終身教授之一。

年輕的張首晟丨斯坦福大學官網

找到拓撲絕緣體

但這還只是開始;十幾年之後,他將做出自己學術生涯中最重要的發現:找到拓撲絕緣體

也許有人還記得2010年《生活大爆炸》里謝爾頓為了炫耀學識而提到過「拓撲絕緣體」。片中一帶而過的名詞,在物理學屬於一個重要領域:如何使用拓撲學的數學工具來理解特殊場景下的物理世界。這個領域最初的開創者戴維·索利斯等人獲得了2016年的諾貝爾物理學獎,眾多物理學家認為張首晟雖是後來者,但做出的貢獻也足以得獎。

「你們誰熟悉拓撲絕緣體?」丨《生活大爆炸》截圖

拓撲學是一個數學分支,它研究的是「不連續」的特徵。一個物體身上,大部分我們熟悉的特徵都是連續的:一個長方形可以變大一點點,變小一點點,粗一點點,細一點點。拓撲學不關心這些。但是如果我在長方形上挖洞,那麼它要麼沒有洞,要麼有1個、2個、3個……不會有4.5個洞或者1.414個洞。這樣的特徵就是拓撲學關注的。

當然現代物理學關注的不是一個東西上有幾個洞,而是遠為抽象的特徵,但這些特徵同樣不連續。張首晟在研究這些特徵的時候,成功創造出了 「拓撲絕緣體」。

設想一個有很多電子的大塊低溫薄膜,給它加上一個強磁場,它就會表現出一個奇妙的特點:只在薄膜的邊緣導電,但薄膜的中央不會導電。如果你拉伸這個薄膜,那麼產生的新邊緣也會導電,中央依然不導電;就算你往邊緣里添加了本來足以阻斷電流的雜質,結果依然是邊緣繼續導電。出現這個現象的根本原因,就在於邊緣被「拓撲保護」起來了;就像長方形上有幾個洞不會隨意改變一樣,薄膜邊緣的電學特徵也不會隨便改變。這個現象是量子霍爾效應的體現,很早就為人所知,只是在不太久之前才得到了拓撲的解釋。

但這個效應需要外加一個大磁場才能實現,這太麻煩了,而且在很多場合非常不切實際,無法應用。不用磁場能不能有這麼厲害的特徵?

也有,那就是理論預言的所謂「量子自旋霍爾效應」——用電子自己的自旋軌道耦合,來代替磁場的效果。而張首晟預言可以在HgTe量子阱實現這一點,並和德國團隊合作真的把它造了出來。他們得到的物質,無需外界作用自己就可實現拓撲保護效果,只在邊緣導電,內部則是絕緣體。這樣的物質,就是所謂的「拓撲絕緣體」。

拓撲絕緣體示意圖,中心一層為HgTe,上下兩層為絕緣物質丨斯坦福大學官網

這個發現在理論和應用里都有很重要的意義,不僅創造出了一種全新的物態,為後續的眾多研究製造了新工具,而且它的獨特屬性也讓它有望在量子計算等領域大展身手。《科學》雜誌把這項工作評為2007年的「全球十大重要科學突破」之一;這些成就也讓張首晟贏得了幾乎所有物理學界的榮譽:歐洲物理獎、巴克萊獎、狄拉克獎、尤里基礎物理學,富蘭克林獎等等。

2017年,張首晟還和眾多合作者一起做出了另一個重要發現:觀測到了「馬約拉納邊界模」,它具有自己的反面還是自己的奇妙屬性。被命名為「天使粒子」的它並非一個真正的基本粒子,只是一群電子錶現出了特殊特徵,但依然部分驗證了早年關於馬約拉納費米子的理論預言,也對量子計算有重大啟示。這一發現引發了學界的激烈討論和繼續跟進,《自然》雜誌幾個月前才同時刊發了兩篇文章,報道兩個小組在這個領域的最新進展。

沒等到的諾貝爾獎

楊振寧曾經說,「他獲得諾貝爾獎只是時間問題」。然而,張首晟卻沒有等到那一天。2018年12月1日,著名物理學家張首晟突然去世。南華早報公布了其家人的郵件片段,稱他是在「與抑鬱症鬥爭後……意外離世」。

我們不知道最後的時間中,張思考了什麼,又做了怎樣的抉擇。由人類巨大未知組成的夜空中,這顆流星,耀眼地划過。

張首晟說起過,他將他的發現叫做「天使粒子」的原因:「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。有正數必有負數,有陰必有陽,有善必有惡,有天使必有惡魔。」觀測到馬約拉納費米子准粒子,就像是瞥見了另一個世界的影子,在那裡魔鬼並不存在,天使的反面依然是天使。

可惜那不是我們的世界。

張教授12月1日離世,12月6日消息公開,很快網上充滿了各種明顯不符合事實的陰謀論。

張首晟教授獲得的「歐洲物理獎」是在2010年,獎勵的是純粹的基礎物理成果。他的成就長期而言有可能在量子計算或晶元領域得到應用,但短期內並不可能,他也沒有投身於此。

張首晟並未轉行AI研究,沒有證據表明他曾遭AI成果的打擊。今年7月發表的一篇論文里有他的名字,論文使用了機器學習的工具,但只是標準的工具應用而已,並無特別出人意料的結果。

他的去世對物理學界和家人朋友已經是沉重打擊,請不要用謠言製造二次傷害了。

作者:圓的方塊,Cloud,EON,Ent

審稿:Sheldon

果殼

ID:Guokr42

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