华人诺贝尔物理学奖热门人选，人生却停在55岁

2018年12月1日，斯坦福大学物理学教授张首晟去世，年仅55岁。

对于物理学界来说，这不仅是一位科学家的离开，更像是一条仍在快速上升的科研轨迹突然中断。

张首晟曾长期被视为诺贝尔物理学奖的热门人选。

2014年，他因为在量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体方面的开创性贡献，被列入“引文桂冠奖”名单。

他的导师、斯坦福大学物理学家史蒂文·基维尔森后来在《Nature》纪念文章中写道，张首晟曾被广泛认为有可能因为拓扑绝缘体方面的工作分享诺贝尔物理学奖。

但张首晟真正值得讲的，并不只是“距离诺贝尔奖有多近”。

而是一个15岁进入大学的少年，如何因为一位大师的建议，改变了自己的研究方向，最终打开了一个全新的物理世界。

15岁进入复旦，他最初想研究大统一

1963年，张首晟出生于上海。

1978年，只有15岁的他进入复旦大学物理系。两年后，他被选派到德国柏林自由大学学习理论物理。

年轻时的张首晟有一个极其宏大的理想：

他希望继续爱因斯坦晚年的研究，希望有一天能够把不同的基本作用力统一在一个理论框架中。

而他的偶像，正是杨振宁。

从德国毕业之后，张首晟进入纽约州立大学石溪分校攻读博士学位。这所学校当时正是杨振宁长期任教的地方。

张首晟终于有机会向自己仰慕多年的物理学大师请教。

但让他意外的是，杨振宁并没有鼓励他继续研究统一场论和基本粒子物理。

恰恰相反！杨振宁建议他转向凝聚态物理。

张首晟最初对此甚至有些不理解。

因为在当时的年轻人看来，研究宇宙基本粒子似乎更加终极，而凝聚态物理更多是在研究材料和电子。

多年之后，张首晟才越来越理解杨振宁当初的判断。

他曾回忆，大多数老师都会希望学生继续发展自己的领域，但杨振宁却把他推荐到一个完全不同的方向。

张首晟后来评价：这体现了杨振宁几十年前极其精准的眼光。

这一句话，几乎改变了张首晟的一生。

两位导师，把他带进完全不同的两个世界

在石溪分校，张首晟正式的博士导师之一，是著名理论物理学家彼得·范尼乌文赫伊曾。

他是超引力理论的重要奠基者之一。

张首晟博士早期研究的也正是超引力——这是一个高度抽象、试图连接引力与粒子物理的理论领域。

但在博士最后一年，在杨振宁的建议下，张首晟开始真正转向凝聚态物理。

这时，另一个对他极其重要的人出现了：史蒂文·基维尔森。

张首晟在博士最后阶段的凝聚态研究，主要是在基维尔森的指导下完成的。

这个转向非常重要。

因为张首晟并没有抛弃自己原来学习的高能物理和量子场论。

相反，他把这些高度抽象的数学工具带进了凝聚态物理。

1988年，他与史蒂文·基维尔森、汉斯·汉松合作，用拓扑量子场论描述分数量子霍尔效应。

此后，一个属于张首晟自己的研究风格逐渐形成：从最漂亮的数学理论出发，然后预测一个实验真正能够看到的物理现象。

他曾说过一句非常能代表自己科研观的话：“理论最荣耀的角色，就是作出预测。”

他最终真的预测出了一个新的物质世界

2005年前后，张首晟团队与另一支研究团队分别提出了一种新的量子物态：量子自旋霍尔绝缘体。

随后，张首晟团队进一步预测，在特定的汞碲/碲化镉量子阱中，可以实现这种量子状态。

实验随后给出了关键验证。

这条路线最终推动了一个后来震动整个凝聚态物理学界的领域：拓扑绝缘体。

它拥有一个看起来非常矛盾的性质：材料内部是绝缘的，但边缘或者表面却能够导电。

更特别的是，这种导电状态并不是普通意义上的导电，而是受到材料整体拓扑性质的保护。

可以把普通电子运动想象成汽车在拥挤的城市道路上穿行。

电子容易发生散射、碰撞，最后把大量能量变成热。

而拓扑材料中的某些边缘态，更像是一条具有特殊保护机制的高速公路。

电子能够以一种完全不同的方式运动。

从此，数学中的拓扑开始真正进入材料科学，并进一步影响自旋电子学、低功耗电子器件乃至拓扑量子计算。

更特别的是，这条路后来在中国结出了重要成果

张首晟的故事并没有随着他的离世结束。

因为今天，中国已经成为拓扑量子物态研究最重要的力量之一。

其中最有代表性的科学家，就是薛其坤。

张首晟理论工作的一个重要延伸，是量子反常霍尔效应。

严格来说，它和量子自旋霍尔效应不是同一种量子效应，但二者都属于拓扑量子物态研究的重要分支。

普通量子霍尔效应往往需要极强的外加磁场。

而量子反常霍尔效应最吸引人的地方就在于：不需要外加磁场，也可以出现量子化的霍尔输运。

2008年前后，张首晟及其学生祁晓亮等人在理论上进一步发展了磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应的研究路线。

随后，中科院物理研究所的方忠、戴希等人与张首晟合作，从理论计算上寻找适合实现这一效应的真实材料。

另一边，薛其坤带领清华大学和中国科学院物理研究所组成联合实验团队，开始挑战这个极其困难的实验目标。

团队用了接近4年时间，制备和测量了大量样品。

2013年，薛其坤团队最终在磁性拓扑绝缘体中，首次从实验上观测到量子反常霍尔效应。

这成为中国凝聚态物理领域最具国际影响力的原创性成果之一。

这里面实际上出现了一条非常漂亮的科学链条：张首晟等人发展拓扑理论 → 方忠、戴希等人寻找真实材料 → 薛其坤团队完成实验实现。

理论、材料计算和实验，最终在中国科学家手中接了起来。

从量子自旋霍尔效应，到拓扑绝缘体，再到量子反常霍尔效应、磁性拓扑材料、拓扑超导……

它已经逐渐生长成一整片巨大的研究森林。

55岁，一切突然停止

2018年12月1日，张首晟去世。

根据家属通过斯坦福公开的信息，他此前经历了与抑郁症的斗争。

对于此后围绕其离世出现的各种猜测，目前并没有可靠证据支持……

他离开时只有55岁。

对于一个理论物理学家而言，这本应仍然处于极具创造力的阶段。

我们无法知道，如果张首晟继续研究下去，他最终是否真的会获得诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖也从来不是评价一位科学家唯一的尺度。

但有一点已经不需要任何奖项证明：在55岁以前，张首晟已经帮助人类打开了一扇新的物理学大门。

张首晟年轻时曾在德国看到许多物理学家的墓碑。

墓碑上没有冗长的生平介绍。

只有一个公式。

这件事给了他极大的震动。

他后来把那种境界理解成：一个人最终离开世界，但如果能够留下一条简单而普适的自然规律，那也许就是科学家最高的人生意义。

我个人认为，他也达到了这种境界。

张首晟喜欢威廉·布莱克的诗：“一沙一世界，一花一天堂。”

对于一位理论物理学家而言，这句话似乎也是他一生最好的注脚。