張首晟在斯坦福大學(xué)的中國(guó)同事，已經(jīng)備了一瓶珍藏了半個(gè)世紀(jì)的茅臺(tái)酒，隨時(shí)準(zhǔn)備為他獲諾獎(jiǎng)時(shí)舉杯相慶。早在5年前，楊振寧就說(shuō)，張首晟獲得諾貝爾獎(jiǎng)只是時(shí)間問(wèn)題。

7月20日，張首晟和團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，證實(shí)首次發(fā)現(xiàn)手性馬拉約納(Majorana)費(fèi)米子，并命名為“天使粒子”，結(jié)束了物理學(xué)界整整80年的苦苦追尋。

這一發(fā)現(xiàn)震驚了物理學(xué)界，張首晟再次被推上了諾獎(jiǎng)備選名單。此前，他已經(jīng)獲得了除諾獎(jiǎng)外幾乎所有的物理學(xué)科頂級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。

作為美國(guó)人文和科學(xué)院院士、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、中科院外籍院士和“千人計(jì)劃”專家，張首晟在接受廣州日?qǐng)?bào)記者的采訪中表示，獲諾獎(jiǎng)的普遍期待并未對(duì)他產(chǎn)生壓力，他更關(guān)心的是，青年科學(xué)家應(yīng)該保持對(duì)自然之美的好奇，以及探索的原動(dòng)力。 

文/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者楊逸男 實(shí)習(xí)生宋昕航

“科學(xué)發(fā)現(xiàn)有時(shí)是階段性的。可能很長(zhǎng)一段時(shí)間你都成就平平，但突然就會(huì)有個(gè)大的跳躍，接著就是一個(gè)更大的跳躍。”長(zhǎng)期走在理論物理學(xué)研究前沿的張首晟，把科研看得很透徹，“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，對(duì)他意味著一個(gè)里程碑式的跳躍。

發(fā)現(xiàn)神秘粒子

要了解這次發(fā)現(xiàn)的重大意義不難，張首晟善于用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言來(lái)解釋科學(xué)。

自然界的物質(zhì)都由基本粒子組成，分為玻色子和費(fèi)米子。有的粒子擠在一起也不會(huì)擦槍走火，被稱為玻色子。而不愛(ài)扎堆、各走各路的則是費(fèi)米子，如支持手機(jī)和電腦運(yùn)作的電子。

1928年，物理學(xué)家狄拉克提出宇宙中每個(gè)基本粒子都有反粒子。1937年，意大利物理學(xué)家馬拉約納進(jìn)一步地進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，在費(fèi)米子中可能存在一種粒子，是自己的反粒子。從此，馬拉約納費(fèi)米子與磁單極、暗物質(zhì)、引力子等進(jìn)入神秘粒子表單，令幾代科學(xué)家孜孜以求。而“正反同體”粒子的預(yù)言，伴隨著馬拉約納的突然消失更加神秘。

有趣的是，張首晟有次夢(mèng)見(jiàn)了馬拉約納。“因?yàn)樘鞕C(jī)泄露，他被天使帶走了。”張首晟會(huì)心一笑。

在物理學(xué)歷史上，諾獎(jiǎng)的桂冠多次落在粒子物理研究的重大突破上，中子、正電子、J粒子(丁肇中)、中微子等的發(fā)現(xiàn)者均獲得了諾獎(jiǎng)。

2010年至2015年，張首晟的理論物理學(xué)團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表了三篇論文，預(yù)言了怎樣找到馬拉約納費(fèi)米子以及哪些實(shí)驗(yàn)信號(hào)能夠作為證據(jù)。以王康隆、何慶林等為首的華人實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在隨后的一年里反復(fù)驗(yàn)證了近30次后，整個(gè)團(tuán)隊(duì)向《科學(xué)》雜志提交了論文初稿，而后又經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)一年的審稿期。

最終發(fā)表的論文標(biāo)題為“在量子反常霍爾絕緣-超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)手性馬拉約納費(fèi)米子模式”，即張首晟命名的“天使粒子”。最關(guān)鍵的就是張首晟提出的材料和驗(yàn)證方式。

為科學(xué)之美奉獻(xiàn)一生

張首晟1963年出生于上海，從15歲起就開始了物理學(xué)的漫漫征程。

1978年，初中還沒(méi)讀完的張首晟在父親的鼓勵(lì)下，花了一個(gè)暑假看完了17冊(cè)的《數(shù)理化自學(xué)叢書》，然后直接參加大學(xué)入學(xué)考試。不鳴則已一鳴驚人，他考上了復(fù)旦大學(xué)物理系，一年后他趕上了國(guó)家公派留學(xué)機(jī)會(huì)，進(jìn)入柏林自由大學(xué)，1983年獲學(xué)士學(xué)位后，張首晟赴美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校，拜楊振寧為師，年僅33歲，他就成了斯坦福大學(xué)的終身教授。

這位旁人眼中的天才說(shuō)，他的成功是由“激情”“原動(dòng)力”鋪墊而成的。

在德國(guó)留學(xué)期間，理論物理學(xué)“不好找工作”的前景讓不少年輕的學(xué)生們發(fā)愁，很多人最后改變了研究方向。那段留學(xué)歲月，張首晟來(lái)到一片科學(xué)家的公墓。墓碑上除了生卒年月，都記載了一個(gè)物理學(xué)公式，這讓張首晟深為感動(dòng)。感慨于愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)E=MC2(質(zhì)能守恒定律)的大道至簡(jiǎn)，他決定為科學(xué)之美奉獻(xiàn)一生。

烤肉獲得的靈感

研究之初，張首晟也遭遇過(guò)研究方向走彎路、申請(qǐng)研究經(jīng)費(fèi)被拒、耕耘成果不被接受的常態(tài)。“大半生都是不確定的，有時(shí)孤獨(dú)甚至絕望。”直到2006年，他在理論上預(yù)言了拓?fù)浣^緣體，研究成果才為學(xué)界廣泛關(guān)注。

這正是美劇《生活大爆炸》中謝爾頓博士炫耀的前沿研究。而張首晟發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體的靈感過(guò)程卻是在一次聚會(huì)烤肉中得來(lái)的。

“吱吱的聲音炸響，烤肉的最高境界是外熟里生。 我一下子想到，有種材料是里面絕緣，外面導(dǎo)電的。”長(zhǎng)期觀察生活和自然的習(xí)慣為他帶來(lái)了“阿基米德時(shí)刻”。

此前，人們認(rèn)為物質(zhì)只有導(dǎo)體和絕緣體之分，拓?fù)浣^緣體成了第三類物質(zhì)，張首晟的預(yù)言，一年后即被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

順著拓?fù)浣^緣體的深入研究，張首晟又發(fā)現(xiàn)了量子自旋霍爾效應(yīng)：芯片中雜亂無(wú)序運(yùn)動(dòng)的電子可以在一定條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，就像在高速公路上各行其道，從而使能量耗散很低。最常見(jiàn)的實(shí)際應(yīng)用，就是解決手機(jī)和電腦的發(fā)熱問(wèn)題。

不久，他又和中國(guó)國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在錫烯研究上取得了重大突破，這或可取代電子元件常用的晶硅和石墨烯。張首晟笑著說(shuō)，“以后硅谷可能就要改名為錫谷了。”

他也因此獲得了物理學(xué)界三大最高獎(jiǎng)項(xiàng)——2010年的歐洲物理學(xué)獎(jiǎng)、2012年的巴萊克獎(jiǎng)和狄拉克獎(jiǎng)。

“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，就建立在張首晟之前的這些重要研究上。它由張首晟提出并由實(shí)驗(yàn)組驗(yàn)證，存在于磁性拓?fù)浣^緣體薄膜(量子反常霍爾效應(yīng)薄膜)與超導(dǎo)體組成的混合系統(tǒng)中。這一發(fā)現(xiàn)的最大應(yīng)用，就是“前途無(wú)量”的量子計(jì)算機(jī)。

赤子丹心

對(duì)于“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)，張首晟說(shuō)：“要感謝祖國(guó)現(xiàn)在的強(qiáng)大。四個(gè)實(shí)驗(yàn)室有三個(gè)是大陸背景。我們經(jīng)常有交流的機(jī)會(huì)，所以促成了這次合作的可能。”

張首晟很重視華人青年科學(xué)家的交流。1999年，受楊振寧邀約，張首晟成為清華大學(xué)特聘教授。2009年，他正式加入“千人計(jì)劃”。常年往返中美兩地承擔(dān)科教，他在斯坦福帶的很多學(xué)生都來(lái)自清華、北大。

為促進(jìn)中美之間科技成果的共同孵化，他成立了風(fēng)險(xiǎn)投資公司，取名“丹華資本”。“丹”一語(yǔ)雙關(guān)，既代表“赤子丹心”，也指斯坦福(又譯史丹福)；“華”則明指中華。

對(duì)自己的兩個(gè)孩子，張首晟并沒(méi)有刻意引導(dǎo)他們往物理學(xué)方向發(fā)展，而會(huì)培養(yǎng)他們的好奇心。兒子張晨波曾獲國(guó)際物理奧林匹克金牌，現(xiàn)已從哈佛大學(xué)畢業(yè)，女兒如今也進(jìn)入了斯坦福大學(xué)。張首晟寄望，中國(guó)的青年科學(xué)家，當(dāng)志存高遠(yuǎn)。

在收到僅存的牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》英文原版時(shí)，張首晟曾寫下這樣一段話：“既然無(wú)法抵擋她萬(wàn)有的吸引，為何不遨游星際而時(shí)時(shí)相伴？既然為量子因果而糾纏綿綿，為何不心心相印寄在水一方？既然追不上她永恒不變的步伐，為何不對(duì)鏡賞花以光傳因緣……”

對(duì)話：“天使粒子”將造福人類

廣州日?qǐng)?bào)：馬拉約納費(fèi)米子前人也有實(shí)驗(yàn)。你的團(tuán)隊(duì)在研究中有何創(chuàng)新？

張首晟：以前的實(shí)驗(yàn)得到的并不是一個(gè)粒子，和我們不同。另外，我們做了非常好的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。不需要把參數(shù)調(diào)到恰到好處才能發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，這個(gè)非常難。我們的實(shí)驗(yàn)預(yù)言是，磁性拓?fù)浣^緣體薄膜與超導(dǎo)體混合系統(tǒng)做出來(lái)之后，不需要調(diào)太多的參數(shù)，馬拉約納費(fèi)米子自然而然就會(huì)出來(lái)。還有，我們給出了一個(gè)非常精準(zhǔn)的平臺(tái)，也就是半整數(shù)電阻的量子平臺(tái)。這非常重要。

最難是找到合適材料

廣州日?qǐng)?bào)：實(shí)驗(yàn)研究中遇到的最大困難在哪里？

張首晟：我?guī)ьI(lǐng)的是理論組，給實(shí)驗(yàn)科學(xué)家提供建議。整個(gè)工作都比較順利。

最大的困難是材料難找。整個(gè)實(shí)驗(yàn)組前后共篩選了近4000種材料。我提出的磁性拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體，兩個(gè)單獨(dú)找沒(méi)什么問(wèn)題，但是疊加放在一起不容易，兩個(gè)材料會(huì)互相影響。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)花了幾個(gè)月才成功。

廣州日?qǐng)?bào)：研究發(fā)現(xiàn)“天使粒子”的過(guò)程中？

張首晟：我們共發(fā)表了4篇文章，前兩篇非常重要，尤其是第一篇就建立了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，運(yùn)用量子材料。這是我和我們組的學(xué)生一起討論產(chǎn)生的想法。第二篇是講具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是什么，我記得也是在幾次會(huì)議后我和學(xué)生們討論出來(lái)的。我們是一步步介紹實(shí)驗(yàn)該怎么做。

未來(lái)將應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)

廣州日?qǐng)?bào)：你非常擅長(zhǎng)用類比來(lái)解釋一些科學(xué)問(wèn)題。能否用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言解釋一下此次科學(xué)發(fā)現(xiàn)？

張首晟：一個(gè)粒子等于自己的反粒子，翻譯成數(shù)學(xué)公式，就是相當(dāng)于1=-1。 我們把-1移到左邊，也就是證明2=0。這個(gè)可不可能呢？

在凝聚態(tài)物理中，有個(gè)超導(dǎo)現(xiàn)象，電子是成對(duì)的，成對(duì)之后進(jìn)入量子的基態(tài)里。電子是一對(duì)，跑到基態(tài)，基態(tài)是能量最低級(jí)的量子態(tài)，相當(dāng)于0 ，在某種意義上就是證明2=0的概念。

在以往的量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)，量子反常霍爾效應(yīng)薄膜呈現(xiàn)量子平臺(tái)，對(duì)應(yīng)1、0、-1倍基本電阻單位。當(dāng)把超導(dǎo)體置于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜上時(shí)，鄰近效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)新的量子平臺(tái)，對(duì)應(yīng)1/2倍基本電阻單位。這半個(gè)電阻單位來(lái)源于馬拉約納費(fèi)米子沒(méi)有反粒子，某種意義上就可以視為半個(gè)傳統(tǒng)粒子。這多出來(lái)的半整數(shù)量子平臺(tái)就是發(fā)現(xiàn)的有力證據(jù)。

未來(lái)它的主要應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)，但過(guò)程會(huì)非常漫長(zhǎng)。

對(duì)大自然好奇最重要

廣州日?qǐng)?bào)：楊振寧認(rèn)為你“獲諾獎(jiǎng)只是時(shí)間問(wèn)題”，你有何感想？

張首晟：工作需要好奇心驅(qū)動(dòng)，這些(名利)不要想太多。導(dǎo)師的話對(duì)我沒(méi)什么壓力。獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人不多，每年也就是三四個(gè)吧。

獲獎(jiǎng)不是一個(gè)壓力問(wèn)題。現(xiàn)在有個(gè)現(xiàn)象，每個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)出來(lái)，人們總是問(wèn)兩個(gè)問(wèn)題，這個(gè)發(fā)現(xiàn)有用嗎？這個(gè)東西能不能得諾獎(jiǎng)？我覺(jué)得不應(yīng)該只看到這兩方面，還要更深刻地看到科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身的重要性在哪。每一次發(fā)現(xiàn)都告訴我們，大自然的每一個(gè)組成部分都很重要。

廣州日?qǐng)?bào)：此次發(fā)現(xiàn)基本由華人科學(xué)家團(tuán)隊(duì)完成，你隨后也在北京宣布了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。如何看待華人科學(xué)家的傳承精神？

張首晟：我們團(tuán)隊(duì)有一個(gè)發(fā)布日期。首先是在斯坦福發(fā)布，然后在北京。這次發(fā)現(xiàn)是理論和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作的巨大成功。團(tuán)隊(duì)成員在美國(guó)工作，但都是華人科學(xué)家，大家都緊密合作、互相鼓勵(lì)。

廣州日?qǐng)?bào)：你每年往返中美兩地做教研和科研合作，對(duì)中國(guó)的青年科學(xué)家有什么期待？

張首晟：這個(gè)是我最想講的。大家做科學(xué)研究，最大的動(dòng)力應(yīng)該是對(duì)大自然的好奇心。結(jié)合整個(gè)量子物理學(xué)的發(fā)展來(lái)看，最開始我們發(fā)現(xiàn)大自然有正有反，有陰有陽(yáng)。然后有科學(xué)家就認(rèn)為基本粒子也應(yīng)該是這樣的，后來(lái)就發(fā)現(xiàn)了反粒子。又有科學(xué)家想到有沒(méi)有自身就是反粒子的。他們對(duì)這些問(wèn)題都非常好奇。他們一開始都沒(méi)想諾獎(jiǎng)，對(duì)大自然好奇的驅(qū)動(dòng)力，是科學(xué)家最原始的動(dòng)力。