据多家媒体报道，12月1日，有名物理学家张首晟逝世，享年55岁。张首晟是斯坦福年夜学物理系、电子工程系和运用物理系毕生传授，一向在拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等范畴做研讨，他引导的研讨团队于2006年提出的量子自旋霍尔效应被《科学》评为2007年 全球十年夜主要科学冲破 之一，他还被杨振宁以为是下一个华人诺贝尔奖获得者。所获物理界重量级奖项包含欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中间狄拉克奖、尤里基本物理学奖等。http://www.yixiin.com/news/
除了科学家身份以外，张首晟也是一名投资人，他于2013年创建了丹华投资，专注于投资最具推翻性的立异科技和贸易模式，并搭建起斯坦福、硅谷和中国的桥梁。
张首晟系美国华裔物理学家，美国斯坦福年夜学毕生传授、美国科学院院士、中科院外籍院士，2017年度中华国民共和国国际科学技巧合作奖获得者。
张首晟传授与杨振宁奖学金得主的座谈会
注：本文依据张首晟传授于2013年8月26日在新加坡南洋理工年夜学与杨振宁奖学金得主的互动座谈会整顿而成，原载于《物理》2013年第11期。
在新加坡南洋理工年夜学2013年8月26日的互动座谈会上，张传授分享了他小我特殊是在拓扑绝缘体范畴方面的研讨经验和心得。拓扑绝缘体的理论以及其运用远景，已经预示了技巧家当的革命性成长。
张传授：感激年夜家的邀请，十分幸运可以或许来到南洋理工年夜学和年夜家做一个近距离的互动。我小我认为，作为一名年夜学传授和教导工作者，最年夜的回报之一就是可以和年青人坚持慎密地接洽和接触，同时让自身坚持年青的心态。本年是我在斯坦福年夜学的第二十年。这二十年间，我们做了很多异常有趣的研讨。而这傍边，让我特殊有造诣感的工作就是，许多我指点的博士生今朝都在美国的顶尖研讨机构和年夜学任教。说个题外话，来这里之前，我的儿子告知我，他的一位好同伙也在现场。我料想他们是一路去了国际物理奥林匹克比赛。我的儿子和今天在场的个中一些杨振宁奖学金得主的年事相仿。我在指点学生以及与就读哈佛物理专业的儿子的互动进程中，时常思虑若何赞助这些年青人。所以，我愿望今天我们可以有很好的互动，你们如有任何疑问，我也会尽量答复。
作为申报的开端，我先向你们介绍有趣的课题 什么是拓扑绝缘体？ 我以为从事科学研讨的人，最原始的驱动力应当是好奇心，而不是这个器械是否有运用价值。这个课题是始于提出疑问并寻找有趣的数学构造。当你开端不雅察这个貌似抽象的课题时，你会发明两个不常接洽在一路的词汇：拓扑和绝缘体。拓扑是个异常抽象的数学道理，而在当今的数学界，拓扑理论绝对是个中一个最主要的分支。年夜家回忆一下，就是在2003年，庞加莱料想，这个数学范畴最根本的料想之一，在百年之后终于被证实了，而庞加莱料想就是一个拓扑学中带有根本意义的命题。与此同时，绝缘体是一个听起来异常死板的资料，但它们却可以普遍地被运用，例如在半导体工业中。对于这两个听起来不相干的概念，我们照样设法把它们联合到了一路：一个是抽象的数学概念，一个则是种现实的运用资料。我们必需懂得基本研讨对我们今天的信息社会的主要驱动感化，好比说摩尔定律（它是讲述半导体晶片上的晶体管数目每18个月就会翻倍）。我们多次都面对着若何连续增长晶片上可装配晶体管数量的问题，但最终都能战胜艰苦解决问题。许多工业，好比汽车工业，都只有相对平缓、线性的增加，然则半导体工业和信息家当的产物工作效力可以坚持成指数增加，这就是理论驱动的力气。因为有摩尔定律告知我们，半导体晶片上的晶体管数目每18个月就会翻倍，或者盘算速度每18个月就会翻倍，所以曩昔60年都是如许。
座谈会现场
60多年前，物理学家在信息家当的起步阶段起了决议性的感化。在量子力学的理论指点下，我们把资料依照能级划分，这就是能级理论。我们有价带、导带，假如绝缘体的费米能级在导带和价带之间，我们就有了空穴型半导体或者电子型半导体。这就譬如我们给你一个N型载体、空穴型载体，因为这种资料的密度很低，我们可以做出很有趣的掺杂。半个多世纪前，物理学家巴丁和肖克利（John Bardeen and William Bradford Shockley）创造了晶体管，而其他物理学家树立了量子力学系统。此后，物理学家就把全部课题都交给了工程学家。因为基本理论已经懂得清晰，而我们的好奇心再次使令我们到别的一个加倍有趣的课题，于是我们把这类问题留给了加倍有才能处置工程问题的工程学家们来解决。在曩昔的六七十年里，他们取得了不凡的造诣，半导体工业和信息家当在这时代所创建的丰功伟绩也应当归属于他们。然则，摩尔定律已经达到它的极限，无法连续几何性的增加。因为基本理论的关系，人们一向疑惑摩尔定律不克不及一向实用，然则，工程学家们异常聪慧，每次碰到瓶颈的时刻，他们都能找到某种方法来战胜这些艰苦。如今理论上的难关是关于晶片散热的问题。我们在晶片上组装晶体管，每当晶体管的数量翻倍，它们所发生的热量也就成指数目级增加。依据摩尔定律，当我们组装越来越多的晶体管在晶片上面，它们所发生的热量也就随之增长，最终会导致晶片上的热量过多，从而使晶片无法工作。
年青人起首应当具有断定黄金年月何时到来的聪明，http://www.yixiin.com/photo/能力有机遇做出巨大的发明。六十年前，物理学家们起到了一个异常主要的感化。我们不仅树立了基本道理系统（如量子力学），同时也发明了半导体资料。如今工程学家面对着一个工程学无法解决的难题，所以这个难题就又要回到我们物理学家手中，这也预示着物理学家的黄金时期的到来。我们总说 危机 ，中文中， 危 字代表危险， 机 的意思是机会、机遇。所以，作为物理学家，我们应当感触感染到我们正处于一个异常主要的汗青时刻，我们必需包管现代文明依照信息年月的特点来连续成长，今朝，问题的实质就是电子导致晶片过热。我们的信息时期是建构在两种根本粒子上，通信是树立在质子的基本上，而盘算是树立在电子基本上。光子之间的互相感化异常软弱，它们可以远距离传输信息而没有什么耗费，这也是选择它们作为远距离信息传输载体的重要原因。然则，也因为它们之间的互相感化很弱，所以很难被掌握，没有什么旋钮可以用来扭转它们，进而使质子有分歧的表示。我们之所以选择电子来进行逻辑处置，重要是因为电子之间的强互相感化。假如晶片里面装的是电子，相对晶片而言，电子就似乎是晶片这个忙碌的集市里面的法拉利跑车。新加坡也有一级方程式赛车，为了确保竞赛顺遂进行，我们必需进行清路。可想而知，假如让世界上最好的赛车在忙碌的集市里面行驶，它们也无法施展出它们该有的状况，因为这些赛车会一直地互相碰撞，或者一直地撞到障碍物，其实，建一条高速公路就可以解决这个问题。高速公路的工作道理就是让分歧偏向行驶的汽车奔跑在分歧的单行线上。所以拓扑绝缘体就似乎为电子建了一条高速公路，如许就不会有延迟和耗散等问题。
张传授在介绍 拓扑绝缘体
在我们人类社会，分歧的国度有分歧的交通规矩，好让车辆顺遂行驶。好比新加坡是全世界为数不多的靠右侧通行的国度之一。不外，物资必需先有分歧的电子能级状况，能力计划电子的运行轨道，在拓扑绝缘体中，电子是平行移动的，自旋向上的电子朝着一个偏向前行，在右侧时朝前行进，在左侧时则朝后，而自旋向下的电子则是情形完整相反。依照以上的描写，可想而知，这个体系须要电子自旋，而且和轨道活动有着最根本的互相感化，也就是自旋 轨道互相感化。是以，我们不仅知道电子须要运行在所谓的 高速公路体系 ，也知道什么样的基本互动能力使电子如许运行，亦即电子的自旋偏向决议电子若何在物资中活动，这就是我们所发明的拓扑绝缘体的根本特征。对这个研讨感兴致的同窗可参阅2010年1月登载在Physics Today（《今日物理》）杂志上的一篇文章，这篇文章依照物理本科生的程度，深刻浅出地介绍了拓扑绝缘体。此外我们也有一篇Review of Modern Physics 的文章（Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang. Topological insulators and superconductors, Review of Modern Physics, 2011, 83: 1057），加倍深刻地论述这项研讨。
我信任在场的同窗们许多都看过《生涯年夜爆炸》，应当是在2011年，这部剧集提到了我们的研讨：谢尔顿 库珀一踏入教室就问年夜家是否听过或懂得拓扑绝缘体，那时年夜家都把手举了起来。那一刻真的长短常特殊也很难忘，因为年夜学先生平凡授课时只接触年夜约100位学生，而就因为我们发明的 拓扑绝缘体 这个词汇，一息之间就有了四万万的存眷。我明早11点将在庆贺Freeman Dyson 90岁华诞的学术会议上申报更多关于拓扑绝缘体的内容，迎接有兴致的同窗加入。这年夜概就是拓扑绝缘体的故事。
如今，我想和年夜家分享一下为什么我认为物理那么有趣，那么惹人入胜。起首，拓扑这种数学概念完整是由抽象思惟而出，拓扑理论研讨在一百多年前开端成长。我想，数学家思虑时最基本的指点原则就是在构想概念时所能孕育的美感。坦率说，真正好的数学和不太好的数学有什么分离呢？所有物理原则在某种水平上都能经由过程试验来证实，是以从某种方面来看，物理和天然真谛有很年夜的关系，因为物理必需相符年夜天然的运行轨则。数学却纷歧样。数学家能构想出和天然运行轨则毫无联系关系的正义体系。打个比喻，好比说欧几里德几何定理，因为欧几里德以为两条平行线永远弗成能交叉这个不雅察长短常显著的事实，他从而推出他的正义体系。同样地，之后也有其他数学家提议： 不如把这些正义颠覆，开端奇怪的新世界？ 这也就奠基了黎曼几何的基石。当数学家构想像黎曼几何如许的概念时，往往纯洁是被美感而激发。数学的灵感其实是任何人都可以发明和实际毫无关系、属于本身的一套数学体系，而这体系好欠好是按小我的审雅观而定，是以说数学的灵感在于美感。
这种源自简练、被美感所激发的理论被证实的那种高兴我们也领会过。当爱因斯坦想用公式表达他的广义相对论时，他很荣幸地发明了数学家已经从纯洁的抽象思维中构想出了黎曼几何。而物理史上最巨大的时刻就是亚瑟 爱丁顿证实爱因斯坦的理论的那一刻。爱因斯坦其时应用了几何，不外我想任何数学家都邑赞成拓扑比几何更有基本性。是以，当这些具有抽象美感的拓扑概念被证及时，固然不及爱因斯坦其时的水平，不外却具有雷同的意义，也算是物理史中异常可贵的时刻。这是其他学科较罕见的、物理研讨所特有的时刻。其他学科重要依附实证研讨，在进行试验时有时发明一些现象，事后才试图说明这些现象。比拟之下，物理研讨更显优雅。这就是物理令我如斯入神的原因，我也老是测验考试和年青人分享我的心得，向他们强调，在物理史上以美感构想出的道理老是能几回再三地被证实，拓扑绝缘体研讨恰是最佳的一个例子。就如同其他学科一样，当我们存眷凝集态物理和资料科学一路来的成长时，年夜多半的发明都异常有时，例如超导体、量子霍尔效应、超流态等都是有时发明的，磁性也是中国人两千年有时发明的。这些例子都是先有实证常识，尔后才成长出抽象理论。拓扑绝缘体则是先构想出抽象理论框架。我们当初按着这些概念的指引，我们应用的数学框架竟然如斯之强悍，以至于可以指引我们猜测出真实存在的资料可以成为拓扑绝缘体，甚至精准地猜测出碲化汞这种资料。不仅如斯，我们还猜测了这些资料在什么前提下可以展示拓扑绝缘体的特征，而这些猜测一年后都被德国的一个试验室所证实了。这些事实表现了我们对于天然轨则的懂得已经到达了可以实现如斯精准的猜测。作为这个理论的构想者，我们就加倍倍感自满，如许的高兴想必爱因斯坦以及爱丁顿其时也感触感染过。
主持人：下面开端提问时光。
学生：您适才在评论辩论自旋极化电流，然则您若何把它息争决摩尔定律的问题接洽在一路？
张传授：这是个异常好的问题。许多资料都有强自旋 轨道耦合，好比，砷化镓这种异常广泛的资料。起首，在拓扑绝缘体中，电子是自旋 轨道耦合的，然则在很年夜水平上电子电流只在体系的界限活动。所以假如有一个三维的资料，界限就会是二维的；而二维资料的界限就是一维的。它看起来就很像高速公路的单向车道，是以假如你有个方形的资料，在右手边的向前活动，左手边的向后活动。
所以就有两种分歧的可研讨状况，一种叫做量子自旋霍尔效应，另一种是量子霍尔效应。量子霍尔效应最先是在低温强磁场中被不雅察到的，然则假如有自旋 轨道耦合和磁性，就发生了量子反常霍尔效应。所以这是最接近高速公路体系的推论。总体来说，就是被磁化选择，所以对于电子来说，在右手边的向前活动，左手边的向后活动。假如没有磁场，就是个纯拓扑绝缘体，一个无磁性的拓扑绝缘体，当存在这个自旋极化状况时，自旋向上的电子可能是遵守一套交通规矩，自旋向下的电子可能遵守另一套规矩，这就似乎自旋向上是新加坡，向下是中国。两地有两种分歧的交通规矩，这就是为什么他们可以在街道上同侧行驶而不相撞的最基本原因。
可能我可以对在现场的同窗们做一个问卷查询拜访，在你们进修量子力学的时刻，对你们来说哪个常识点是最难以懂得的、最神奇的？Feynman曾经说过，第一次学量子力学就能明确的人必定在某种水平上是个呆子。这是有必定事理的。量子力学必定长短常难以懂得的，对吧？像海森堡测禁绝道理等等，然则还有哪些？量子力学里有许多让人认为匪夷所思的理论吧？
学生们：叠加状况、量子纠缠、波函数塌缩、全同粒子
张传授：好的，然则对于我来说，在我照样个学生的时刻，量子力学里最让我迷惑的，是个
异常不相符常理的现象：一个带有二分之一自旋的电子，把它扭转2 的角度，它的波函数并没有恢复到本来的状况，它增长了一个负号。这个对于我来说就是 谁人 最神奇的问题。事实证实，就是这个让人费解的负号，避免了在同侧行驶的两个电子彼此相撞。假如它们相撞，或者因撞到器械而试图反转展转，那就老是有两种分歧的方法往返转，而它们在电子自旋位移上的差距是2 个角度，而这导致了一个负号的发生。假如它们被向后散射，就会导致损坏性的干预。因为在单行道的一侧只有自旋向上的可以向前移动，自旋向下的可以向后移动，假如须要移动归去，老是有个负号随同着。所以这些事实让人们懂得为什么拓扑绝缘体和一些量子物理的基本定律相干。
学生：既然720 的扭转和麦比乌斯带的拓扑构造有关，那么拓扑绝缘体理论的提出是否对于量子力学的基本有所影响呢？
张传授：异常好的问题！我不清晰在场同窗们的量子力学学到了什么水平，年夜家听过量子力学中一个叫做克拉默斯定理（Kramers Theorem）么？拓扑绝缘体的发明也和这个量子力学的基本理论相干。克拉默斯理论描写一个时光可逆的不变量体系，对于一个半自旋粒子，它的能级老是必需组成偶极子。在拓扑绝缘体中，导带，价带，甚至在常见的绝缘体中，都可能存在一些外面态，可能是来自于导带，而又回归导带；或者来自价带，又回归价带的。事实上，在今天的半导体资料中，我们已经开端运用这种外面态，我们试图应用电场来诱发这种外面态，然则它们老是从导带来，再归去导带；或者从价带来再归去价带。拓扑绝缘体的分歧点在于，这些外面态衔接了导带和价带，然则假如它们相连了，它们就会在一点交叉，而这一点就是一个时光可逆的不变量点。同时克拉默斯定理制止避免彼此交叉。假如它们不彼此交叉就会返回原点，亦即，导带回归导带，价带回归价带。因为克拉默斯定理说它们必需交叉，这就是这个理论的基本。而克拉默斯定理的发生恰是因为当半自旋粒子扭转2 的角度时，就会有一个负号发生。在微不雅世界，我们是可以进行时光可逆的操作的，好比我们播放一个片子，我只须要把片子倒带，在微不雅世界，假如有时光可逆对称的话，那么你反转时光轴，曩昔就会酿成将来，将来酿成曩昔。然则假如你如斯来去两次，曩昔变为将来，然后这个将来又被变回曩昔，成果就是没有变更。所以在微不雅世界，时光被反演两次，就似乎什么都没有产生。不外对于微不雅电子世界，你对于电子自旋做时光反演的操作，那么时光反演转变了自旋偏向，因为自旋如同角动量，角动量是r p，r是不变的，以及相对时光可逆的，而p有相对时光的导数，所以就是r和时光导数。所以自旋是r在时光可逆，我们发明反向的时光轴，自旋必需转为相反的偏向。假如我把时光轴反转一次，自旋向上酿成
自旋向下。假如我再次反转它，自旋向下变为自旋向上。所以假如自旋可以像微不雅世界的小箭头一样运作，那就似乎我们什么都没有做。可是对于电子自旋来说，它正好被扭转了2 的角度，如许就有一个负号。所以对于电子自旋来说，当进行两次时光反演的操作之后，相对于初始态，终结态就会多一个负号，这就是克拉默斯定理的原因。所以这些理论和不雅点都是有着意义深远的接洽，初次接触量子力学的人很难领会到个中深意的。
Prof. Peter Preiser（杨振宁奖学金项目主任）：可能我来问一个没有那么技巧性的问题，因为不是在场的每一小我都是量子力学的专家，我是一名生物学家，然则我以为在场的许多人都在预备卒业，对于本科生来说，个中一个挑衅就是，他们该持续报读博士课程么？将来将会如何？基本科学的将来会是如何？你的建议是什么？
张传授：我以为每小我都阅历过相似的挣扎，我住在硅谷，许多不是我门下的斯坦福的学生，都有着完整分歧的人生寻求，他们的斗争目的是成为下一个谷歌的开创人，当然这也是个异常雄伟的志向。在我是学生的时刻，因为汗青的原因，我是在德国接收的本科教导，我是经由过程中国官方的留学生交流筹划到德国粹习的。那时刻是20世纪80年月，我知道假如我学成回国，在国内是没有什么机遇的，因为国内其时根本没有什么基本物理的研讨的项目。许多我的同窗都转行进修了加倍适用的学科，好比电子工程，或者是一些加倍有现实运用的工程专业，从而可以经由过程制作仪器以加倍直接和身材力行的方法去转变世界。所以其时在这个问题上，我照样异常纠结的。所以谁人暑假，因为是第一次去德国，我想周游德国，可是因为其时的经济前提所限，我只能沿着德国的高速公路搭便车观光，这个阅历也给了我对于德国的高速公路体系（autobahn）最直接的感触感染。出于本身的兴致和童年阅历，我对欧洲的汗青、文化、艺术以及建筑都有所浏览。所以每当我观光到一个城市的时刻，我老是异常欣喜，因为懂得城市的汗青，并且可以观赏本地的建筑、艺术和博物馆等汗青遗迹。
然则当我停止了几乎所有的路程的时刻，一个处所对我的人生寻求有了决议性的影响，那就是哥廷根。它就是量子力学的发源地，我还记得那边有个啤酒年夜厅，许多物理学家都邑去那边评论辩论，在这个啤酒年夜厅的桌子上，麦克斯 波恩在一片餐巾纸上写下| (x)|2的方程式。所以在我的印象里，这个处所是个圣地，可是加倍神圣的不是城市广场，或者是啤酒年夜厅，而是一个哥廷根的坟场。坟场是个寻思性命的意义的好处所。坟场长短常合适思虑人生的目的和性命的意义。当你身处一个安葬了许多有名的数学家和物理学家的坟场，哥廷根年夜学是个德国汗青最悠长的年夜学，许多有名的物理和数学家都在这里进修和工作过。高斯（Carl Friedrich Gauss）曾经在这里工作而且长逝于此，他的学生Bernhard Riemann 也曾经是哥廷根年夜学的一名传授，Otto Hahn是这里的传授，Max Born和Werner Heisenberg也曾经在这里工作和生涯过。所以，在这片坟场，很多有名的物理学家和数学家的墓碑邻接而立。墓碑上的墓文都异常简略，只著名字和生卒年份，这些和其余墓碑没有什么分歧，其实许多其他的墓碑反而更多装潢，他们的都只有很小的一个墓碑，然则上面老是有一个方程式或者是能归纳综合最具有代表性的他们的科研结果。我还记得David Hilbert 的墓碑，因为他的造诣太多，好比他的23 个数学难题，这些是弗成能都记录在他的墓碑上，所以墓碑只引用了他的一句名言， WIR MUSSEN WISSEN， WIR WERDEN WISSEN ，翻译过来就是 我们必需懂得，我们必会懂得 。这个墓志铭表现了他的果断的决心，可能他指的就是他提出的23 个难题，我们必需知道谜底。以中国人的说法，就是 逝世不瞑目 ，因为他逝世的时刻固然他的23 个难题有一部门已经被解决了，然则许多还没有谜底，特殊是他最爱好的 黎曼假说 ，至今未解。麦克斯 波恩的墓碑上刻的是测禁绝道理(pq - qp = h/2 i)。所以，这些都让我们感触感染到性命的意义是留下一些可以永远保留的信息。在人类在这个星球存在之前，生物体在血肉之躯耗费之后，独一可以留下萍踪的办法就是经由过程它们的基因。基因，依照我们今天的不雅点，其实也是一种信息，所以在生物领域，老是可行的。不外从人类文明的角度来说，除了滋生，即经由过程我们遗传给我们后代的基因之外， 我们还有另一种方法来传承信息，与人类文明共存。人逝世之后，经由世代繁衍，可能很难再识别出他们的基因，不外他们发明的这条信息，这个常识，将会随同人类文明直至末日。
波恩传授的墓碑
希尔伯特传授的墓碑
所以，我最爱好问我学生的一个问题是假如你要去诺亚方舟，而你只可以带一张纸来总结人类文明的全体常识，会是拿破仑的名字么？照样你会带着E = mc2，这条表现了人类文明最高造诣的方程？这个问题客岁问异常好，因为2012年是被某些人预言的世界末日。我认为对我来说，这个谜底长短常明白的，当然是应当带着这个方程去诺亚方舟。所以在哥廷根的这个坟场，我融会到了人生主要的一课：人生最高的寻求应当是留下你发明的一些常识。从此今后，我就决心做一个物理学家，而不去斟酌未来若何赚钱赡养本身。然则当然，我想当今社会，照样有许多其他的方法来实现人生目的的，好比成为另一个谷歌的开创人也是件很酷的工作。
学生：我们傍边有些人可能不知道，张传授15岁初中卒业时跳过全部高中阶段直接考入复旦年夜学，并且在他刚过而立之年的时刻就已经成为斯坦福年夜学的毕生传授。张传授，您在进行您的研讨的进程中，曾经阅历过什么掉败么？假如有，您是怎么战胜的？
张传授：我想在你进行科学研讨的时刻，绝年夜多半的时光你弗成能听到 谢耳朵 对着四万万的不雅众讲你的研讨结果。你可能经常认为你走入了一个逝世胡同，或者你没有任何进展。在从事拓扑绝缘体的研讨之前，我其其实做高温超导方面的研讨。
爱因斯坦、狄拉克和杨振宁这三种奇特的人格都完善地表现出了一种作风，我以为这种作风长短常名贵的。他们都有着最果断的信心，那就是物理的最根本轨则应当是被数学的美感所激发。好比，爱因斯坦以为黎曼几何异常合适被用来表述时空概念。客岁（2012年），我异常幸运地获得了狄拉克奖章，狄拉克一向以来都是我心目中的豪杰。所以，年夜家以为他对物理最年夜的进献是什么？狄拉克方程？或者说是他对正电子的预言？有时刻，当我和一些非物理配景的人聊到狄拉克的时刻，许多人都不清晰他是谁。然则当我提到《天使与魔鬼》的时刻，每小我都知道（年夜家有看过这部Dan Brown 的小说或者由小说改编的片子么？）在小说中，那枚要炸毁梵蒂冈的炸弹，就是个反物资炸弹，这个炸弹具有着人类可以想象出的最高的能量密度。狄拉克就是反物资的发明者，因为一次他须要对一个公式开平方根，然后他溘然记起，依照高中所学的常识，对4进行开根号，会获得2和-2。所以你总会获得两个根。从此，他联想到所有的物资都应当有两种分歧的状况，或者是物资的正能量状况，或者是负状况，亦即反物资。当然，杨振宁也是别的一个很好实例，他只是思虑麦克斯韦尔方程的构造以及若何在数学上表达它，从阿贝尔变换群到非阿贝尔的变换，就发明了杨 米尔理论。而这个理论包括了天然界四种基本力中的两种。所以，这种思维方法或者逻辑对我一向有很深远的影响和启示，惋惜它不老是能被胜利地应用在科学研讨中。
现场同窗提问
我曾经试图把这种逻辑运用到一个被以为是凝集态物理中最主要的难题之一：高温超导的机理。所以我就用对称的美感触出一个机理，高温超导体是从它们的母态成长出来的，而这其实几乎是与预期相反的。假如要发明超导体，你应当是从很好的导体开端，然则当贝德纳兹和马勒（Bednorz and Muller）发明超导体的时刻，他们是从最差的导体开端的：一块绝缘陶瓷。他们对它进行了加工，然后那块陶瓷就酿成了超导体。这种经验不雅察老是让我觉得异常感叹。所以我以为这种反铁磁的绝缘体和超导体其实是统一种物资，被一种由我定名为SO(5)的对称性同一起来。我是在1997年初次提出这个理论的。开端我异常荣幸，在其时这是个被公以为异常主要的范畴，许多资深的理论物理学家都涉足个中。固然我其时已经取得了正传授的职位，可是年夜家照样认为我异常年青。我提出了这个让我深深为之入神的理论，并且我其时异常肯定我已经解决了高温超导的全体难题。所以我写了一篇文章，标题为 A unified theory based on SO(5) symmetry of superconductivity and antiferromagnetism 并且异常冒险地把这篇文章投到了Science（《科学》）杂志。谁人时刻，每小我都告知我： 首晟，你绝对是没有机遇的，任何一个理论物理的审稿人都邑连忙谢绝这篇文章的，他们怎么能容忍竞争？ 何况，在凝集态物理中，人们不认同杨振宁、狄拉克和爱因斯坦的这种逻辑会真的胜利，因为他们没有看到过先例。在其时，尽管每小我都说会被连忙拒稿，可是《科学》杂志照样决议把那篇文章送出去给审稿人。这个举措自己已经异常可贵了，更令人受惊的是，我的文章在一个月之内就连忙被吸收了，只被请求有些细微修改（Shou-Cheng Zhang. Science, 1997, 275: 1089）。长达五页的纯理论文章，对于《科学》杂志来说已经长短常罕有的了，而凝集态物理偏向的如斯长度的理论文章之前更是从来没有在《科学》杂志上揭橥过。恰好是在我文章揭橥之后，年夜规模的进击开端了。所有资深的理论物理学家开端进击我的理论。其实一般情形下，在这个范畴你只会获得两种反响：人们或者说这个纰谬，或者说 我之前做过这个器械 。所以，我想那时刻年夜概是70%的人不认同我的不雅点，别的的30%以为这是他们之前就做过的器械。其实这个理论切实其实照样有所造诣，我想这篇文章到今朝为止已经被引用了700多次，并且也有人把他们的研讨树立在我的理论之上。然则我很清晰这个理论在短期内是弗成能被普遍接收的。我真的是被我导师的作风所影响，同时也由衷愿望能用
这种作风来进行研讨，我以为理论物理的研讨是应当如许开展的：当你构想出俏丽的数学理念之后，年夜天然会在某种水平上承认这种美感。因为意识到我的理论无法被普遍接收，我切实其实低沉了几年。在谁人时刻，我可以有两种反响，一种就是我可以持续研究这个课题，并争夺世人的普遍认同，如许做也长短常幻想的选择。在基本物理学范畴中，爱因斯坦的相对论、杨 米尔理论、奇偶性、狄拉克的方程等等异常多的实例已经证实：人们构想了一个俏丽的概念之后，年夜天然连忙就认同了这种美感。然则在凝集态物理范畴，这种情况从未产生过。我尽力测验考试过了，然则却不是很胜利。在其时我长短常纠结的，我想我切实其实有许多其他的机遇，不外假如我持续保持物理研讨，我最感兴致的照样用这种作风来研讨物理。后来我测验考试了其他的一些偏向，最终我发明了拓扑绝缘体，并且年夜家应当都可以或许认同，拓扑绝缘体的研讨其实就是狄拉克作风的完善表现。
学生：在量子场物理范畴，特殊是粒子物理范畴，学者们提出过许多理论。在上世纪七八十年月异常风行的就是自举理论，可是后来涌现的量子色动力学代替了它。量子色动力学是如今最热点的理论，然则是否有可能，因为太多器械须要被说明，量子色动力学和自举理论在分歧层面来讲，其实都是准确的？或者说量子色动力学只是能说明一部门事实。
张传授：起首，自举（bootstrapping）理论不是毛病的理论，它只是不敷壮大。许多异常聪慧的人在这个范畴研究了许多年，并且这个理论也有本身的数学美感，这个理论有许多庞杂的器械。我特殊爱好一个叫做 核平易近主 的理念，它听起来很深邃。我以为这个理论问题重要在于不敷壮大。
量子色动力学也不是一个被完整懂得的理论。2000年美国克雷数学研讨所设定的千禧年七年夜料想就包含了黎曼假设和杨 米尔理论。夸克的弗成见性还无法从数学上说明。我们有一些设法主意，然则无法确认。因为杨 米尔理论是关于强互相感化，我们可以说明说在很高很高的能级，耦合变弱。然则我们无法说明在低能量状况，强耦合的情形。所以，许多人一向在研讨这个数学难题，新不雅点赓续出现。即使我们无法解决杨 米尔理论，或多或少可以从数学的角度解决这个理论的超对称版本，并且是绝对具有美感的。Seiberg 和Witten已经找到部门谜底。许多关于二元性、磁单极子的设法主意就可以被验证。还有一个问题，就是这些理论无法被剖析式地解决。许多人试图把这些问题输入电脑来解决，却至今还没有获得谜底。IBM的华生超等盘算机就是被杨 米尔难题催生的，并且他们还搭建了一台量子色动力学机械来试图解决这个问题。我信任人们接收这个基本理论是因为你可以盘算它，而从电脑盘算得出的成果不是可以感知的。
学生：张传授您好，您曾经提到过拓扑绝缘体的工业化至少还要五年的时光，您有想过介入一些工程类或者是一些公司的研发么？
张传授：对，依照美国的传统，防御高级研讨项目机构（DARPA）的项目许多都是会胜利地被实体化成一个公司。美国的科研经费审发机构有能源部、国度科学基金，这两个机构根本上不管有没有运用的可能性，只要科学上有价值就可以，然则DARPA假如投资的话，会优先斟酌那些将来有必定贸易价值的项目。DARPA愿意在私有资产进入之前先承担这个风险，可能再做一两年，假如真的可以或许看到这个项目标运用远景，我想私有资产在这个时刻应当会开端接办。
学生：假如拓扑绝缘体真的可以或许工业化的话，可能会导致半导体和信息家当的从新洗牌，然则您会不会认为拓扑绝缘体的原资料会是产物工业化的一个限制？
张传授：切实其实，如今找到的原资料都是比拟罕见的那种，然则我们在2008年有一个理论上的预言，本年也被一位华人传授杜瑞瑞所证实。这个资料叫砷化铟/锑化镓（InAs/GaSb），这个资料在半导体工业照样很广泛的。所以可能这五年之内要做的工作照样许多的，然则我们可以平行进行。我们现有的拓扑绝缘体资料，可能须要有一些特别的加工能力运用到现实临盆中，然则我们可以先把它的道理搞清晰。与此同时也要去开辟一些新资料，愿望这些资料可以或许加倍惯例，最好是可以或许和现有的半导体技巧联合起来。
学生：如今的年青人在选择研讨理论物理的时刻须要下很年夜的决心。您认为他们须要具备什么样的特质才合适理论物理方面的研讨呢？
张传授：我认为照样要觉得它的美。做理论研讨一般有两种情形，一种情形是，你的课题许多人都在做，你跟年夜家交换的时刻也很热烈，然则这个课题的研讨价值就不那么年夜，因为这个框架确定是别人先发明的。另一种情形是，你须要本身发明一个框架，那么你确定异常孤单。所以这种情形下要有一种驱动力，要有一种信心，要有一种崇奉，而这些切实其实也须要有某种特质的人才可以做到。然则我想对于学生来说，可以从小的结果积聚到年夜的胜利。在进修的进程中，我想一个好的理论物理的学生应当很轻易被一些年夜师的业绩所鼓励。好比说，看到狄拉克的故事，看到杨振宁的故事，他会认为备受鼓舞，这些都邑影响异日后的研讨作风。所以我们今天有如许的机遇可以与杨振宁奖学金得主互动长短常好的，因为这些年夜师也在用他们的精力指点我们。
学生：常识家当等工业要有质变性的成长是必需依附理论研讨的支撑的，所以包管理论物理的生源长短常主要的，您认为会有越来越多的学生投身理论物理的研讨么？
张传授：对，我想这个确定可以包管，因为年夜家全部社会的财富老是在增长。好比说我们在美国可以看到这个现象：第一辈我们国内出来的人，可能因为斟酌要先能站稳脚跟，所以往往选择做工程等一些比拟适用的专业。然则他们孩子的选择就没有这方面的局限，因为第二代不须要为生涯担忧。所以，我想可能会有越来越多的人会选择进行理论物理的研讨。
学生：您曾经提到过，您的发蒙教导是艺术、哲学、汗青等社会科学，您认为这些阅历对您日后的研讨有什么影响么？
张传授：切实其实有异常重年夜的影响。好比说汗青，我们不要讲科学史，就讲我们平日的汗青，欧洲的汗青，中国的汗青，你说这些对于研讨理论物理有什么赞助？外面看上去并没有太多联系关系。然则你看汗青的话你就会想到一个问题，就是什么器械可以或许留下来，什么器械不克不及留下来。其其实从事科学研讨方面，当达到了某种技巧层面，年夜家的专业技巧都是旗敌相当的。好比说，你做理论物理，你的推导才能比拟好，你做试验物理，你操作仪器的才能比拟好。到了必定的条理，这种厉害的人已经不可偻指算。然则为什么最终有些人可以或许更上一层楼，这个决议身分其实超越了物理的常识领域，就是须要具有一种品位，因为年夜家才能都很接近，都在竞争，面前好比说都摆着十条路，然后我选择这条路，你选择别的一条。最后的成果一般是只有一小我胜利，并且往往从技巧层面上说，最后胜利的这小我并纷歧定那么厉害，他胜利是因为他选择了对的偏向。所以从这个不雅点来看的话，其实科研和艺术就异常像，就是一种咀嚼；这跟汗青也比拟像，就似乎我们在汗青关头，到底要做怎么样的决议。所以这些看得多了，对于你在这个选择关头，可能会有些赞助。可能这些选择看似有时，其实是一个常识历久积聚的成果。我的小学和初中时代刚好赶上 文革 ，所以从小我就经常在本身家里的阁楼上面念书，都是一些关于欧洲哲学史、欧洲艺术史之类的书本。国内那时科学方面的书本也不是许多，固然我的父亲是学工程专业的，然则我的伯父们都是进修人文的，而他们留下的书都是关于哲学、艺术、美术之类的，所以我的发蒙教导反而是在人文科学方面。其实直到如今，我照样对这些人文的器械异常感兴致。
