纪念张首晟教授 | 唯茅台与物理不可辜负

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一花一世界,一沙一天国,

君掌盛无边,刹那含永劫。。。


2018年12月5日,美西时间下午6点,斯坦福大学传来令全球学界无比震惊而又悲痛的消息。著名物理学家、斯坦福大学教授、丹华资本创始人张首晟博士,已于12月1日突然离世。


在一封写给全体师生员工的电子邮件中,斯坦福大学物理系教授Steven Kivelson向世界发布了这一消息:

From: glamstuds <glamstuds-bounces@lists.stanford.edu> on behalf of Steven Allan Kivelson <kivelson@stanford.edu>

Sent: Wednesday, December 5, 2018 6:00 PM
To: glamfaculty@lists.stanford.edu; glamstaff@lists.stanford.edu; glamstuds@lists.stanford.edu
Subject: Tragic News

 

Dear Colleagues,

This past Saturday evening, our colleague Shoucheng Zhang died suddenly.

This is a devastating loss.  Shoucheng has long been an intellectual leader in theoretical physics who is widely admired for his extraordinary creativity, faith in the power of precise and elegant mathematics to elucidate even complex real-world problems in physics and beyond, as well as for his devotion to the many brilliant students and post docs he has mentored.  His many seminal contributions to the field will surely stand as a memorial to him.

Like many of you, I have lost a dear friend whose infectious enthusiasm for new experiences and love of exploring ideas and scholarship across all disciplines are irreconcilable with his tragic end.  Those of you who knew him personally will also remember his close and loving relationship with his family, and how proud he was of his remarkable children, Brian and Stephanie, and of course his childhood sweetheart and the love of his life, Barbara. I have included their remarks about Shoucheng’s death below.

This is an inconceivable loss to all of us. I will keep you posted as more information becomes available. As we all work to process this distressing news, please know there are resources at Stanford to support you, including Counseling and Psychological Services (CAPS) at Vaden Health Center for students, the Faculty Staff Help Center, the Office of Postdoctoral Affairs, the Office for Religious Life and others.

Please reach out for support and offer support to those around you.

In sorrow,

Steven Kivelson


在邮件的末尾,Kivelson教授还附上了张首晟夫人及孩子的声明:


Zhang Family Statement

 

We are heartbroken to inform you that our beloved Shoucheng passed away unexpectedly this past Saturday, December 1 after fighting a battle with depression.

While many knew Shoucheng as a renowned scientist and thinker, we knew and loved him as our dear husband and father. Shoucheng cherished quality time with his family above everything else, and would set aside whatever he could to be there for us. On our family vacations together, he loved to take us to the most beautiful natural sights on Earth, to share with us stories of ancient history in every region we visited, and to encourage our latest ideas and interests. Motivated by his desire to witness the glory of God through scientific research, Shoucheng brought an infectious spirit of curiosity to the entire world. His favorite poem, by William Blake, expressed his life’s mission for boundless exploration and discovering beauty:

To see a World in a Grain of Sand

And a Heaven in a Wild Flower

Hold Infinity in the palm of your hand

And Eternity in an hour.

As we face this devastating news, we are deeply grateful for the support and condolences that we have received. We would ask, however, for the public to respect our privacy as we grieve over this immense loss.

With deepest regrets,

Barbara, Stephanie, Brian, and Ruth


在这个悲伤时刻,知社重发昔日旧文,《唯茅台与物理不可辜负》,纪念张首晟教授。


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2015年,张首晟教授因其在拓扑绝缘体的开创性贡献,在费城与另外两位同事领取了声誉卓越的富兰克林奖章。这是美国历史最为悠久的科学大奖,张首晟也因此跻身于爱迪生、居里夫人、特斯拉、爱因斯坦和比尔盖茨的行列。“富兰克林是我儿时的英雄。我们都听过这个故事,他冒着生命危险,飞着风筝研究雷电。”张首晟说,“而我,只是用我的纸和笔做研究。”


一、拓扑绝缘体


的确,张首晟只是用纸和笔,理论预测了一类全新的物质形态,拓扑绝缘体,在HgTe的存在,并很快为实验所验证。这是一类奇妙的材料,块体是绝缘的,表面却是导电的。它的发现被Science杂志列为重大科学进展。而富兰克林研究所则在颁奖辞中称,拓扑绝缘体本身美妙绝伦,而它的应用,则可能比三级管的发明意义更加深远,将给电子学、半导体、计算机科学、和信息技术带来革命性的变化。


拓扑绝缘体的能带结构


接受采访时,张首晟说,2006年,他的研究发现,在拓扑绝缘体电子可以沿着特定轨道运行以避免碰撞和损耗,并由此有可能延伸摩尔定律的有效期,即集成电路上的晶体管元件数量大约每两年增加一倍。由于线路已经接近临界尺寸,传统方式很难继续延续摩尔定律过去几十年的巨大成功。这是当前半导体工业所面临的最严峻的挑战。而张首晟的发现表明,单原子层的拓扑绝缘体,在计算机芯片工作的温度下,导电效率将达到100%。这可能最终取代我们手机和电脑中的硅,从而给信息技术和半导体行业带来革命。


拓扑绝缘体是当前凝聚态物理最热门的领域,吸引了许多理论与实验物理学家。而张首晟所预测的stanene,可能会是下一个超级材料新星。Stanene是拉丁名字“锡”(stannum)和石墨烯(graphene) 的后缀结合,由单层的锡原子组成,结构与石墨烯类似。如果在晶格中掺入氟原子,其工作温度可高达100度以上。因此未来将会广泛应用,包括提升电脑芯片速度,并降低其能耗。张守晟认为,拓扑绝缘体的应用可使得我们在移动电话上安装等同于整个谷歌服务器的功率。这样用户就不用每天充电了。这将是信息技术领域的一场革命。


Stanene 晶格


2010年,美国流行电视节目“生活大爆炸” 围绕拓扑绝缘体做了一期节目,张首晟一夜之间家喻户晓,超过四千万的观众知道了他的理论。“我从来没有想过,一个科学发现能够引起这么多人的关注。”张首晟说。


Sheldon 在Big Bang Theory里面给加州理工学生讲授拓扑绝缘体


二、茅台与物理


张首晟在斯坦福大学的中国同事珍藏着一瓶半世纪的茅台酒,随时准备庆祝他可能的诺贝尔奖。因为在拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应,自旋电子学及高温超导领域的卓越贡献,张首晟获得了一系列的重要科学奖项,如2009年亚历山大•冯•洪堡研究奖、2010年古登堡研究奖、欧洲物理奖、2012年奥利弗•巴克利奖、狄拉克奖章、2013年物理前沿奖、以及2015年富兰克林奖章。他是中国科学院外籍院士,也在2015年当选为美国科学院院士。这些奖项的许多获得者最终都获得了诺贝尔奖,张首晟也是诺贝尔物理学奖的强有力竞争者,是Thomason Reuters所预测的热门人选。


可是当提到可能获得的诺贝尔奖时,张首晟却宁愿谈论其研究经历。他说,“生命最美好的不是目标,而是经历。看到完美孕育的思想在大自然中得到证实,对于我这样的科学家来说,是最好不过的回报。”古希腊人猜想,世界上任何事物都是由所谓的原子作为基本单元而构成。从那时起,基础科学的一部分就致力寻找组成物质的更小的基本单元。同时,物理学家也尽力弄清这些基本单元如何组合在一起,形成美妙而又复杂的世界。张首晟主要研究如何用电子和原子这样的基础单元构造材料。


1978年,基本依靠自学的15岁张首晟没有经过高中便考入了复旦大学攻读理论物理专业。当年,中国政府启动一个项目,将大学考试中名列前茅的学生送到国外深造。因为这个项目,张首晟在大学第一个学期之后,便远赴德国留学,1983年获得柏林自由大学的学士学位,1987年在美国获得了纽约州立大学石溪分校博士学位。


在石溪分校,张首晟的导师和榜样是杨振宁先生。“他告诉我,科学和其他任何事物一样,依靠最简单的表述达到至美的境界。”张首晟说,“诗歌中我们用最简单的语句表达最复杂的思想情感,而在理论物理学,我们用最简洁的公式描述这个世界,从微小的原子到浩瀚的宇宙。在这个意义上,科学与艺术有共同的审美诉求。这是杨振宁先生教给我的东西”。



张首晟说,92岁的杨振宁仍然和他保持亲密的友谊,经常会在两个小时内回复他的邮件。杨振宁和李政道在1957年因发现宇称不守恒而获得诺贝尔物理学奖,他们是张首晟学习物理的最初动力。“在二十世纪五十年代,他们向世界证明,中国科学家一样可以做出伟大的业绩。”张首晟说,“他们的名字对于中国人意义重大,影响了我们这一代人。”


三、家国情怀


虽然获得了诸多的奖项,张首晟认为自己最大的荣誉来自中国。他说“2009年,国庆60周年的庆典上,我受邀请到天安门广场观礼。那一刻,我特别激动,作为一个中国人我感到无比自豪,我也骄傲让祖国母亲因我而自豪。”


这些年,张首晟与中国物理学界有着广泛的接触和合作,是国家的“千人计划”特聘专家,指导着许多的中国学生。他说“物理上,我们分析难以理解的自然现象,并将其总结成简单通用的自然规律。而我自己深受年轻学生的鼓舞和吸引。他们的思维方式充满了创新,没有边界。”他希望自己留给世界的除了研究成果,还有他的学生。张首晟指导过20个物理学博士,其中许多人已经成为哈佛大学,普林斯顿大学,斯坦福大学,和清华大学的学术带头人。


张首晟也说,美国给了他可能的机会。“1980年,我第一次去德国。很多德国人之前根本没有见过中国人。他们对我很亲切,邀请我去家里晚餐。可是三年过去了,他们仍然那么热情。”他解释道,“然后我才意识到我被当做一个来访德国的客人。美国则不同,没有人真正在意你是谁,来自哪里。这个国家接受任何寻找机会的人。当你来到了这片土地,你就可以掌握自己的命运。”



张首晟将自己的学术成就归功于斯坦福大学,他认为那是他幸福的源头。“每天早晨来上班,我简直不敢相信世界上有这样美好的工作。加利福尼亚阳光灿烂,环境优美,我所教的学生可以说是世界上最聪慧的,我也有完全的自由去做我的研究。”张首晟说,“生活再美好不过了。”


四、艺术人生


许多人认为张首晟是上帝的宠儿,甚至有人视他为天才。“天赋?但激情更重要!”张首晟说。他将自己早期学业归功于知识分子家庭的熏陶。张首晟的祖父是1908年复旦大学的第一届毕业生,而他的父亲则主修轮船制造专业,毕业于交通大学。他说,“那时候我有大量的时间阅读,玩耍,思考,探索。当时学校里面并没有教什么东西,但是我总是不断自学。这个习惯我到现在还在坚持。”



张首晟的儿子Brain在高中获得了国际物理学金牌,现在是哈佛大学三年级学生,主修物理学,辅修计算机。他的女儿Stephanie在加利福尼亚Palo Alto 的 Gunn高中就读。她希望利用网络视频教育帮助世界底层的孩子们。去年Stephanie在青海一个教育严重匮乏的偏远地区,对当地孩子展开一个社会学研究。张首晟的妻子Barbara,是IBM公司的软件工程师,两人从幼儿园就相识。


张首晟认为,教育者或者父母影响下一代的最重要的事情,就是给孩子们留有空间,让他们自己去寻找兴趣和热情。“现在年轻人面临着繁重的家庭作业,学习非常辛苦,根本没有时间去思考他们真正感兴趣的是什么。”张首晟说,“我们应该给年轻的学生留有足够的空间,让他们去寻找自己真正的兴趣和热情所在,指导他们自我探索。归根到底,只有热情和自我激励才是最持久的


张首晟的兴趣爱好广泛,远超出科学之外,涵括哲学、诗歌、戏曲和历史。每次会议旅行,他都会详细了解当地城市历史文化资料。此外,他还是一个非常成功的风险投资家,运用第一性原理计算做风投,创立了丹华资本,规模将近一亿美金。


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最后,让我们以张首晟的一页PPT结束。His physical body passed away, but his idea will last until the end of humanity...


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