一个理论物理学家和他的奇妙世界

——访华裔科学家、美国艺术与科学学院院士张首晟

□ 本刊记者/ 张 洁    陆 艳

人物简介

张首晟，美国华裔科学家、斯坦福大学物理系讲座教授、清华大学高等研究院教授。因其对量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体的开创性研究，2010年获欧洲物理奖。2012年8月，荣获联合国教科文组织下属的国际理论物理学中心“狄拉克奖”——国际理论物理学领域的最高奖。

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拿到张首晟教授的简介，本刊记者甚至有一丝焦虑——我们如何与一位杰出的理论物理学家对话，如何把他的研究领域介绍给我们的读者。

张教授15岁入读复旦大学物理系，16岁只身赴德留学，获德国柏林自由大学学士学位后赴美国纽约州立大学石溪分校，师从著名物理学家杨振宁教授攻读博士学位，1987年获物理学博士学位，30岁成为美国斯坦福大学终身教授。1992年获全球华人物理学会杰出青年科学家奖，1993年获IBM研究部杰出创新奖，1999年受聘为教育部“长江学者讲座教授”，2009年入选国家“千人计划”，任清华大学高等研究院特聘教授。因其对量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体的开创性研究，2010年获欧洲物理奖。2011年入选美国艺术与科学院院士。2012年荣获美国物理学会Oliver Buckley奖，这是凝聚态物理最高奖。2012年8月，荣获国际理论物理学中心“狄拉克奖”——国际理论物理学领域的最高奖。

张首晟教授的成长经历，本身就是一个传奇。见到了张教授以后，我们的印象是科学家也可以如此时尚与谦和，而且非常关注祖国的创新与发展。2012年12月8日，张首晟教授应江苏省科学技术协会之邀，来南京参加第四届江苏省青年科学家年会。他在年会上作了《创新在中国》的特邀报告。报告会结束之后，张首晟教授和另一位应邀参加年会的王晓东教授立刻成为全场追逐的焦点。在各路媒体的聚光灯下，参会代表争相与他们合影，他们的“粉丝”不仅有学生、科技工作者，还有参会的领导。

年会的间隙，和煦的阳光透过窗子，也有了我们轻松的对话。

Q：“理论物理学”一词，我们的读者可能会感到很深奥并且难以理解，作为杰出的理论物理学家，您能简单地介绍一下什么是“理论物理学”吗？它是一门怎样的学科？

任何科学总是有两个部分：一个是通过实验，一个是通过理论上去理解。但奇妙的是，很多时候，可以通过理论去指导实验。但是从中学生的角度来说，他们接触的科学家比如牛顿、爱因斯坦、霍金以及我师从的杨振宁先生，其实他们都属于物理学家。从理论科学来讲，数学就是数学，但从科学上来讲，数学有着非常奇妙的应用。比如，当年牛顿为了描述行星怎么绕着太阳转这个问题，不仅把物理研究想清楚了，同时在这个过程中，他也发现了新的数学——微积分。

所以要想把理论物理学学好，必须要有非常优秀的数学根基，要学好数学。其实在整个世界上，能够真正做物理研究的人是很少的，一是因为不太需要那么多的人，另一方面是因为这方面的竞争真的非常激烈。但我觉得作为中学或者大学的一个学习科目，理论物理是非常非常好的一门学科。因为一旦有了这个训练之后，碰到任何大自然的事情，都能够很好地去理解。因为要想深刻理解大自然，一定要有一个定量的理解，而这个定量的理解是要把数学真正用在大自然当中，而理论物理是一个最成功的例子。

虽然不能说要想成为一位杰出的理论物理学家，首先应该是一位优秀的数学家，但至少要对数学有一个比较好的理解。

Q：由您领导的研究团队提出了“量子自旋霍尔效应”，于2007年被《科学》杂志评为十大重大科学发现之一。您能用简单、通俗的话语介绍一下何为“量子自旋霍尔效应”？

我们知道，现在所有电器尤其是计算机的功能，都是由电子运动带来的电流来实现的。我们通过控制电流，从而带来这些奇妙的应用。总的来讲，我们就是发现了一个新的电子运动规律。电子的运动本来是杂乱无章的，但现在我们能让电子的运动像高速公路上的汽车一样，分成不同的车道，各行其道，互不干扰。简单地说，就是让电子的运动更加有效率，而且不会消耗很多的能量。

之前业界普遍认为，摩尔定律将于2015年时，因为计算机芯片过热问题而失效。但我们发现的“量子自旋霍尔效应”则有可能解决摩尔定律的瓶颈，让芯片运行的效率更高。

摩尔定律

计算机第一定律——摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登•摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加1倍，性能也将提升1倍。换言之，每1美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻2倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

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张教授在第四届江苏省青年科学家年会上作报告

Q：我们常说“术业有专攻”，可您研究的领域包括高温超导、量子霍尔效应、自旋电子学、强关联电子系统等，都有很多重要的发现并获得很多殊荣，在国际相关研究领域里均有较大的影响。您是如何做到的？这些不同的研究领域是不是有一定的相关性？

在科学研究里要想有成就，我想最重要的是要有一个战略的眼光，选题要选得好，这个可能要从小就要培养起来。在科学选题里，也会被一种审美观所驱动。作为杨振宁先生学生的我，在这方面也受到了很深刻的影响，受益匪浅。

我想，无论是谁，无论做什么事，首先要凭自己的兴趣。到了一定的程度，通过自己的兴趣驱动自己，往往是最容易成功，获得成就。

在学术界也有一种不太好的现象，就是有一些科学家和研究人员往往选择那些科研经费比较充裕的课题来做，但这些课题并不是自己特别感兴趣的。我想，追求自己非常有兴趣的事是非常重要的。另外，即使在自己同样有兴趣的几个不同的方向里，也要选择一个好的方向，这样比较容易突破。

科学有不同的领域，我们可以看到它们的不同之处，也可以看到它们的共同之处。我们经常把科研讲成攻关，攻关就是和军事有关，就是要有个战略的眼光，这是非常重要的。

现在大家一谈起科学家，就把他们称为“专家”。专家当然重要，但比如看一片林，有的人只能看到几棵树，而有的人则能看到一片林。因此，一个人应该要拥有比较开阔的视野，我觉得这也是非常重要的。

Q:您和您师从的杨振宁先生有着共同的学术道路——先是在内地求学，然后到国外去深造。现在越来越多的家长把孩子送到国外去求学，您怎么看国内的人才培养模式？

针对国内现行的教育体制，大家有不同的看法。但我觉得，在中国现在这样一个国情下，总的来讲，高考还是一个比较成功的例子。

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“量子自旋霍尔效应”将有可能解决计算机芯片过热的问题

我最近经常来国内访问，在清华大学我也有研究所，我接触到很多杰出的清华大学的大学生。我觉得那些本科生都是很优秀的，非常有培养的潜质。

从我个人的经历来讲，我没念过高中，初中毕业后就去复旦读大学，没过多久就被派遣到德国去深造。所以本科大部分时间是在德国学习的，然后又到美国读博士，在美国工作。我觉得人生能有这个机会真的很难得，当然不是人人都能碰到这样的机会。我觉得，拥有一个国际化的视野和接触，是人生一段很好且难得的经历。

这就反映到我们最近的科研上，“量子自旋霍尔效应”这个最原始的想法是我在美国斯坦福大学提出来的，后来有一个重要的实验是在德国做的，最近又在清华大学做这方面的研究。这个发现除了2007年被评为世界十大重大科学发现之一，在2012年的创新大会上，胡锦涛总书记也重点提到了。

Q:您已囊括国际物理学界的三大奖项，那下一阶段您对自己又有一个怎样的希望？

有一些德高望重的科学家会把他们的科学成就、经验说出来给后继的科学家们听，但我现在还处于攻关的阶段，我希望能有重大突破。

我最大的愿望就是，我不但可以口述过去的科研经历、经验，更希望能够在一个实战的环境下带着国内的团队进行科学研究，让他们在实战的环境下，真正理解科学如何达到全球的那种影响和高度。

Q:您对我们的青少年读者在学习上，特别是在物理学科的学习上，有什么期望或者建议？

我们现在处于一个非常奇妙的时代，学习可以有各种各样不同的渠道。比如说最近最奇妙的一件事情就是，美国所有的名牌大学都把他们最最好的课程，全部免费地放在网上，包括哈佛的一些课件都可以在网上免费下载。对于想学习的人来说，这是一个最好不过的机会。但唯一要做到的就是要有足够的驱动力——兴趣，来带动他们。

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张教授为中学生读者题字