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天妒英才︰斯坦福物理學家張首晟去世

头条新闻网 2018年12月06日 21:30:00    

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白露為霜注︰斯坦福大學著名華裔科學家張首晟2018121日去世,終年只有55歲。驚聞噩耗,痛惜萬分。我同張教授有過一面之緣 - 2014年時在斯坦福听過他的一個講座。時間不長但留下的印象非常深刻,為此還特意寫了一篇博文,希望他能在2019年獲得諾貝爾獎。2019還未到,教授卻離世而去,痛哉。逝者長已矣,生者如斯夫,在這里舊文重發,以示敬意。

 

 谷英雄︰誰是離諾貝爾獎最近的華人?(原發于2014年3月7日)


當老利蘭-斯坦福(Leland Stanford)開始構想、設計斯坦福大學的時候,他堅持要讓學校的第一棟科學樓 化學試驗室遠離學校中心的“四合院”(QUAD)。他很擔心化學試驗會出意外,導致起火或爆炸將學校夷為平地。老斯坦福是對的,科學家們的確會做一些危險而發瘋的事情,但把化學系流放出去卻是一個錯誤。物理系其實更危險。


你或許听說過反物質。這種由反粒子構成的東西非常奇異,當物質與反物質相遇時會發生劇烈爆炸,有一個專用名詞︰湮滅(annihilation)。人人都知道核爆炸威力巨大,也只有一部分物質轉變為能量。湮滅則不同,物質與反物質都完全毀滅,產生的能量要比核反應要大的多。如果你認為反物質只有在科幻小說中存在,你就錯了。其實,在美國舊金山灣區人口最稠密的地區,在斯坦福大學,物質與反物質湮滅的事件不斷地發生。280號公路是 谷的一條大動脈,每天車流滾滾,風馳電掣。很少人知道的是在離Sand Hill出口不遠的地方,一束束電子或正電子在地下數米處橫穿280公路,撞向目標 - 另一束迎面飛奔而來的粒子。


這就是著名的斯坦福線性加速器(Stanford Linear Accellorator Center, 簡寫SLAC)。SLAC擁有世界上最長的2英里直線加速器。將代電粒子加速到很高速度,讓它們相互踫撞,然後觀察會發生什麼事情,這就是加速器最重要的目的。當一個電子同一個正電子(電子的反物質)相撞會發生什麼?對了,火光四射,e+e低能湮滅時會產生出伽馬射線。可當電子或正電子被加到很高的速度再相撞,各種古怪奇異的東西會產生出來,有時是W玻色子(W boson),有時是Z玻色子(Z boson),甚至膠子(gluon),質子。SLAC並不是最大的加速器,但它的尺寸和設計很適合產生和研究Z玻色子。


很久以來我一直很想去SLAC參觀,可平常有門衛把守,要想進入唯一的方法是參加中心的公共講座(Public Lecture)。這次同SLAC的邂逅,雖然沒有機會參觀加速器內部設施,卻踫巧遇上了斯坦福物理學家張首晟,有幸聆听他講述材料物理領域的新發展,受益非淺。


  

空中鳥瞰SLAC(網絡照片)


張首
離諾貝爾獎還有多遠?


盡管平常是重兵把守,但每隔一兩個月,斯坦福線性加速器中心就會敞開大門,用一場精彩的講座來答謝社區人士的支持。這些講座介紹在科學前沿所發生的激動人心的事件。從鑽石的納米技術,到最新的希格斯玻色子(higgs boson)的發現,加速器中心的公開講座成為普通民眾了解科學發展的一個難得的渠道。


參加這類講座的以退休人士為主,很多人以前是科學家,工程師,等等。再有就是斯坦福或周圍學校的大學生、研究生。偶然也有家長帶著孩子來。能听懂多少很難說,但他們願意把孩子帶來還是值得稱贊,沒準孩子會受到啟發,講座也成為影響一生的重要事件。


張首晟教授在這場題為“電子高速公路”(Electron Superhighway)的講演中首先提到 谷所面臨的危機 其賴于生存的“摩爾定律”(Moore's law)已經無以為繼。當巨量的晶體管被擠進大規模集成電路時,耗能和散熱的問題無法解決。以 為基石的現代電子行業已經走到了盡頭。


張首晟提出的解決方法是讓流往一個方向的電流有自己專用的通道,就像在高速公路上開車一樣。听上去簡單,要實現這個目標需要一種全新的材料來替代 。接下來講的是他自己的方向︰拓撲絕緣體(Topological Insulator)、量子自旋霍爾效應(Quantum spin Hall effect),以及高溫超導等領域的研究。要準確介紹這些概念超出我能力範圍,有興趣的讀者可以觀看張教授的Youtube講演錄相,是相當激動人心的。在演講快結束的時候,張首晟提出了大膽的預測︰一種以單層錫分子制成的材料叫Stanene具備所有想要的特點 可在室溫條件下成為拓撲絕緣體


如果他的預言成為現實,這種材料可以用在大規模集成電路中,進而解決現有材料無法逾越的耗能和散熱的問題。他甚至開玩笑地建議,如果成功應該把“ 谷”改名為“錫谷”(Tin Valley)。


張首晟1963年出生于上海,1978年時他只是初中生,跳過高中,直接考入我的母校-復旦大學。按照他自己的說法,高中那點東西都是自學的。張首晟並沒有在復旦待很久,他在1980年赴德國柏林自由大學留學一直到獲碩士學位。後赴美國紐約州立大學石溪分校(State U of New York at Stony Brook)深造,在揚振寧的建議下轉攻材料物理,1987年獲博士學位(他並不是揚振寧正式的學生)。從1993年起,張首晟任教于斯坦福大學


天妒英才︰斯坦福物理學家張首晟去世_圖1-2

張首晟與揚振寧(網絡照片)


拓撲絕緣體原本是一個生僻的物理概念,近年來卻變成異常火爆。連當紅美劇“生活大爆炸”(The Big Bang Theory)里的主角肖登(Sheldon Cooper)都曾給過一個拓撲絕緣體的講演(當然是搞笑的)。除了張首晟帶領的斯坦福的研究團隊之外,普林斯頓大學,賓西法尼亞大學等機構都有科學家在做同一方向的研究工作。不同小組你追我趕,一時還很難看出誰是最後的贏家。


張首晟的工作也讓他頻頻得獎,以至于有人堅稱他是下一位獲得諾貝爾獎的華人。作為科學家,主要目標是解決一個問題,發現前人沒有發現過的東西,至于得獎與否不應該是主要的考量。但話又說回來,我覺得他的確很有可能得獎。張首晟做的工作肯定是諾貝爾級別的;但能不能得獎,什麼時候得獎,現在預測可能還為時過早。比如SLAC的科學家在1968年發現了“夸克”,直到20多年後的1990年才得獎,更不要說還有許多重要發現沒有獲獎。張首晟應該說是非常幸運的,在中國教育界學術界有機會污染他之前就離開了中國,研究生時有名師指點,自己的研究方向又趕上大發展的時期,一路都是福星高照。


諾貝爾獎是中國人永遠的痛。如果把文學獎,和平獎除外,現有的八位華人諾獎科學獎獲得者要麼是解放前出國的(李政道,揚振寧,崔琦),要麼是香港台灣或國外長大的(丁肇中,李遠哲,錢永健,高錕,朱棣文)。這同中國在教育、科學的投資不成比例,跟中國的人口更不成比例。國人一直在問,為什麼還沒有新中國出來的華人獲得諾貝爾科學獎?這是個非常好的問題,你們說是什麼原因呢?


我覺得很重要的一個原因是時辰未到。中國開放之前科學很落後閉塞,希望只能放在改革開放後的進大學的人才身上。這些人現在還在出成績的階段。讓我們樂觀一點,假設張首晟能順利地在5年內即2019年獲得諾貝爾物理學獎。屆時他離1978年考上大學也過去了40年了。中國有句老話“十年樹木,百年樹人”,打造一個諾貝爾獎獲得者就是要這麼長時間,沒有什麼捷徑可走。


 

天妒英才︰斯坦福物理學家張首晟去世_圖1-3

張首晟的講座“電子高速公路”

SLAC大門口

SLAC講演廳

張首晟在講演中

信息時代的摩爾定律

 

天妒英才︰斯坦福物理學家張首晟去世_圖1-9

講演廳外的雕像

加速器巨型的探測器(網絡圖片)

直線加速器的管道(網絡圖片)


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