在复旦建校后的第二届16位学生中,张彝以国文、法文、、化学、三角、体操等12门功课的毕业考试总平均分为80分8厘的第一名成绩毕业。
俗话说“诗书传世长”,一张百年前复旦学霸的,是由张彝的后人在2005年复旦百年校庆之际捐赠给复旦的。捐赠者名叫张首晟,正是张彝的孙子。他比祖父更厉害的是,考上复旦的时候,还是位15岁的少年。
他叫张首晟。谁都没意识到的是,这个翩翩而来的白衣少年,却能在物理领域拿到除了诺贝尔奖之外所有的奖项,而且还能在科研之外把风险投资做得风生水起。
然而,随着2017年7月最后一周的《科学》杂志被送到世界各家大学、研究所、跨国公司、知名科学家的案头,“上帝啊”的呼声此起彼伏,一个从斯坦福发出的划时代重磅发现震惊了世界物理学界。
“他带领团队提出天使粒子的发现方法,被几个研究团队的不同实验予以证实,这解决了物理学上的马约拉纳难题,将上帝关上的门打开了一条缝。”斯坦福物理学院在第一时间更新了终身教授张首晟的网站首页。
“你会获得诺贝尔奖的,我坚信。”作为张首晟导师的杨振宁,不远万里从闷热的中国上海向心爱的打来祝贺电话。
而将张首晟带到斯坦福,并排除各种困难,给他争取到物理系终身教授职位的前美国联邦政府科技部长、斯坦福大学物理学院前院长、张首晟的第一个伯乐朱棣文,当日在自己的脸书上骄傲的说:“五年前我就说过,我已经将未来三十年物理学最灿烂的星辰带到了斯坦福。”
张首晟到底发现了什么?为什么他带领团队提出找到“天使粒子”的方法以及随后的实验证实会引发全球科学界这样的轰动?
1928年,量子物理学奠基人保罗·狄拉克研究数学时,对开根号有正根负根的结论突发奇想,因此做出了一个惊人的预测:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,它们会湮灭,同时释放出一股能量。这一预测随后被“正电子”实验证明,从此打开了粒子研究的大门。
1937年,意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在他的论文中提供了另一种预测:在一类被称为“费米子”的粒子(包括了质子、中子、电子、中微子和夸克)中,应该有一些粒子,自己就是自己的反粒子,并可以用一个波动方程来描述。
这就是马约拉纳费米子,即物理界常说“天使粒子”的由来。在马约拉纳看来,这种费米子是基础粒子,不能再拆分,将会成为粒子物理学的基础。
数学家哥德在笔记中表示自己已经想到怎么证明这个猜想,但是没地方书写;而物理学家马约拉纳表明自己设计了相关的实验准备找到这种费米子,但他却在一个清晨神秘的消失在湖边。
从那时开始到现在,一代一代的物理学家都没放弃对马约拉纳费米子的找寻。在物理学界看来,找到马约拉纳费米子这种最基础的粒子,就能从基础上证明量子力学的正确,也能为建立在相对论上的现在物理学指明发展方向。
有消息称,巨型电子对撞机的建立,有大部分因素是用来找寻马约拉纳费米子。而在这些年物理学家追寻马约拉纳费米子过程中,有5项诺贝尔物理学奖与之相关。
张首晟发现找到马约拉纳费米子的方法,看似是一个偶然的机会,但如果离开他不走寻常路的研究思路,也不会成功。
张首晟之前研究领域是凝态物理,拓扑绝缘体理论的材料实现方案和量子自旋霍尔效应是他最杰出的研究成果,也为张首晟带来了物理学的几乎除了诺贝尔奖之外全部的奖项。
这两项研究都是在凝态物理领域,解释起来非常艰涩难懂,但正由于这样的两个研究成果,2010年以来,以往仅仅处于科学猜想和科幻小说中的量子通信和量子计算机,不论是遨游太空的中国“墨子号”卫星,还是美国NASA的实验室量子计算机,都取得了重大突破。
基于他对凝态物理方面的研究,在领导团队寻找马约拉纳费米子大的过程中,他没有采用物理学界通用的电子对撞的高能模式,反而在自己熟悉的拓扑绝缘体领域加强实验。
张首晟在发表拓扑绝缘体理论相关论文中曾预言,如果想发现马约拉纳费米子,在不采用高能研究方法的基础上,只能在拓扑绝缘体边缘才有可能。
而且他跟他的团队,一口气在2010到2015年间,针对这个问题发布了三篇论文,从度、多系统精准预言了在哪里能够找到马约拉纳费米子,继而指出哪些实验信号能够作为可靠的证据。
这是很牛的成果。打个不恰当的比方,就像数学的哥德猜想,现在突然有人发布了三篇论文,教你怎么找到猜想的答案,怎么论证,用什么方法,然后还把如何验证的手段说了个遍。最恐怖的是,你照着做还真的就把这个猜想解决了。
张首晟和他的团队,当然也想用传统方法找到“天使粒子”。在粒子物理中,标准模型范畴外的中微子被认为最可能是马约拉纳费米子,而且这一猜测有可能被“无中微子的beta双衰变”实验所验证。
然而,为了完成这个实验所需要的精度,研究小组时不时要动用高能粒子对撞机,高额的成本让只是斯坦福学校赞助的张首晟团队望而却步。
张首晟不死心,他在想,有没有其余的方法找到“天使粒子”?他把目光放到了自己熟悉的凝态物理学中。
根据一些前辈的推测,在凝聚态物理中,马约拉纳费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。
在带领团队重复实验上万次,添加几千种磁性材料和超导材料后,一个下午,吃完午饭回到实验室的张首晟偶然在拓扑绝缘体边缘观察到了散射的粒子现象。
他发现,在拓扑绝缘体中放置铬这种磁性的掺杂剂后,本来是普通的绝缘体的拓扑绝缘体材料表面,就会形成一个超导体,粒子在这里会发生散射。而散射的就成为半粒子,就是“天使粒子”
谈及这个发现时刻的心情,张首晟曾在接受采访时表示:”如果你把科学探索想成一个探险,把大自然想成一个艺术品,你的预言,大自然居然都帮你实现了,那你每天都会过得非常享受。”
因为很年轻,也因为刚到斯坦福就提出拓扑理论跟量子力学结合的研究方案,一开始,张首晟的研究计划并没有通过美国科技部科研基金的审批。
“当年来到斯坦福大学,我就想追求一个全新的研究领域,我的想法是把数学里面非常美妙的一个想法叫拓扑学和一个非常实用的一个材料学,能够把它紧密的结合在一起。但是负责基金审批的专家看来看去都看不懂,认为这是根本没用的一个研究。”若干年后,回忆起当时的窘境,张首晟还记忆犹新。
1994年7月,当张首晟收到退回来的科研开题报告时,感到异常的愤怒。美国国家科研基金审查委员会的人在他的报告上写了个类似“”的回复。
不死心的张首晟向能找到的所有私立基金会都寄出了申请,结果11家基金都拒绝了他,申请书全被退回来了。
那段时间从不喝酒的张首晟,曾频繁出入酒吧。这让聘他到学校任职的物理学院院长朱棣文看在眼里,急在心里。
“说实话,朱棣文他是我的伯乐。没有他的努力,我的成果不可能出现”张首晟一谈起朱棣文,总爱用这句话开头。
朱棣文为了张首晟的科研项目,亲自到校董会,一个一个游说校董。终于说服校董会同意动用学校自有资金支持张首晟的项目。
“我还记得那是一个下午,当朱棣文给我电话说干吧的时候,我的眼泪刷一下就留下来了。”从此以后,斯坦福“让自由的空气在飘扬”的校训,深深扎根在张首晟心中。
幼年的张首晟,也曾经经历过一段混乱年代的余波,本来父母担心他的前途会被时代耽搁。但由于受祖上的影响,他从小就痴迷群书,贪婪地游览知识的海洋。
1976年高考恢复,为了发现、选拔人才,省里面向高中没毕业的年轻人破格提供了10个高考名额。
父亲看到成天埋头读书的儿子,便给他找来一套数理化自学资料,动员正在读初中他去试试。结果15岁的“初中生”在考场挥斥方遒,一举过关。
15岁的学霸走进复旦的时候,神闲气定——大学对他来说,充其量就是个大一点的课堂罢了。唯一的“诚惶诚恐”,就是感到百年前的祖父“学长”在冥冥中注视着自己。
学霸的脑回路我们不一定能懂。接近张首晟的人都说,他看书跟别人不同,博览群书是他的标签,但是每本书都不读完就是他的特色了。
在他看来,读书就是一个把厚书读“薄”,从中了解作者的思维方式的过程。读书不是要吸纳所有信息,而是有针对性地对信息进行筛选。
正因为此,没有高中文凭,更没有读完大学几十门课程的张首晟,在大一结束的时候就接到学校通知,作为公派留学生去德国柏林大学深造。
先是在古老的充满学究气氛的柏林自由大学,张首晟用跟国内相同的学习方法,用3年修完了别人6、7年才能获得的学分。之后他前往美国纽约州立大学石溪分校,如愿以偿师从自己的偶像杨振宁,仅用4年就顺利获得物理学博士学位。
张首晟有很多标签,除了知名物理学家、斯坦福大学最年轻的终身教授、各大物理学奖获得者以外,斯坦福知名的风险投资人也是他的重要属性。
张首晟涉足风险投资,来自他的偶像——集科学家、外交家、发明家、企业家、家于一身的富兰克林的启发。
“富兰克林是跨界的旷世奇才,在众多不同的领域都做出了卓越贡献,为科学带来了真正的荣耀。在今天这个伟大时代,用科学的精神来做投资肯定也会给科学带来荣耀。但是达成科学和投资的结合却是难上加难的。”在张首晟看来,富兰克林是天才,不会被复制。
斯坦福大学有自己的员工子女学校,斯坦福的教授们每年都捐款,赞助这个学校的美式足球队参加比赛。
别看张首晟是个学霸,他可不是“书呆子”,各种球类都能玩几下。在斯坦福每次员工子女学校的球队比赛,他都会到现场观看。
可球场离学校还有110英里,赶回去就不能看完比赛。正纠结间,跟他同来的一位计算机系教授戴安娜·格琳听说此事,告诉张首晟有办法让他不回学校也能查看计算机数据。
张首晟非常惊讶,这位女教授先是让学生到张首晟实验室计算机上安装了个小程序,接下来指导张首晟用自己随身的笔记本打开一个网址,输入密码,就神奇般进入实验室电脑的桌面。
比赛结束后,张首晟追着这个女教授了解软件情况。这个当时还是斯坦福计算机系学生和教授私下流传的小软件,就是未来大名鼎鼎的虚拟机程序VMvare。而张首晟就在那天晚上,把获得的部分奖金投入进来,成为VMvare的天使投资人。
张首晟在第一次投资成功后,有过认真的思索。他发现,绝大部分科学家还是喜欢在象牙塔里生活,不想出去冒险。而很多做投资的,用的也只是金融和投资的一些概念,没有根本地去理解科学技术的原理。科学和投资结合的难,就在于人才的稀缺。
他认为自己的研究思路与众不同——就是跨界做研究。他最重要的发现拓扑绝缘体理论就是基于数学理论——拓扑理论,马约拉纳费米子也是在这个理论基础上找到的。
2013年9月,张首晟与自己的学生谷安佳一起,在斯坦福创立了丹华资本(Danhua Capital)。这可以看作张首晟推广自己物理指导投资理念的源始。
一个基本粒子,它要通过两个孔,在孔的背后形成一个干扰的条纹,一个经典的粒子要么从左边穿过,要么从右边穿过,但是量子的粒子同时穿过两个孔,便是非常神奇的一个量子的世界。
张首晟喜欢用量子力学的第一性原理做风投:简单(simplicity),普适(universality)。在他看来,衡量一个项目的好。
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