那棵消失的树 —— 回忆导师张首晟

那棵消失的树 ｜ 回忆导师张首晟

中科院物理所 胡江平

著名华人物理学家张首晟教授

首晟走了，走得那么的突然。

2018 年 12 月 6 号那天早晨，我正在赶往机场的路上。和许多人一样，看到手机微信里朋友询问的信息，我还十分肯定地以“别开玩笑”作了答复，可是后面的几十分钟如雪片一样飞来的消息让心情沉重起来，接了几个电话，电话这头的我已经渐渐发不出声音，直到飞机要起飞的那刻，晓亮的电子邮件将最后一丝希望彻底收走，那种感觉的强烈就如同心在冲动的年纪被猛然击碎一样。

3 个小时的航程，我一直浑浑噩噩，分不清自己是不是处在一个真实的世界，梦里仿佛正陪着他沿着斯坦福那最震撼人心的棕榈大道慢慢走近教堂。

斯坦福大学的标记就是一棵树，而首晟对我，也许对许多人来说，就是斯坦福的那棵树——站在最高点，看着最远方，永远青春洋溢挥洒自如。

今天，这棵大树消失了，消失得那么的坚定和突然，留下我们这群在大树下乘凉的人错愕、迷茫、悲伤，让许多人的思念和回忆都布满了深深的负疚感。

斯坦福大学的校徽

往事的追忆

我内心一直觉得自己是非常幸运的人，从硕士、博士、到博士后都碰到了很好的导师，尤其最幸运的是成为首晟博士生中的第一个中国人。和朋友聊到首晟时，总会有一丝得意和自嘲：“至少首晟觉得我还不错，不然后来他不会有这么多中国学生，不过自己应该是他的中国学生里最差的，因为不幸变成他设立的最低标准。”

这份内心的想法和调侃却从来没有在他面前流露过，总觉得将来某天会有机会在祝贺他的场合去陈述一下，乐一乐，而今天却只能留在平淡的文字里。

第一次见到首晟，是在大学快毕业的那个夏天。

毕业前的最后一个学期，没事干，胡乱在图书馆翻杂志，似懂非懂地看了些量子霍尔效应的文章。偶然一天在物理系看到一个关于量子霍尔效应的学术报告，就进去旁听了一下。

那天来的人不多，报告由林宗涵教授主持，主讲人就是首晟。记得报告讲得很好，可惜最后没有一个来自听众的提问，首晟很有礼貌地问起了物理系老师在做什么具体研究。在成为他的学生后，我一直奇怪能这么清楚地记得这次讲座，是不是这就是冥冥之中所谓的缘分？

第一次和首晟的交谈，却是在去了斯坦福半年后。

当时的硅谷弥漫在巨大的网络泡沫里，中国研究生都想转到电子工程或计算机。我也不例外。第一个学期找了一个实验组帮他们写程序，可是一个学期下来总觉得很无趣，第二个学期决定回去做研究试试。

由于英语口语不好，我还是先敲开了首晟办公室的门。记得那是星期五的下午，和他简短的对话，改变了我的人生轨迹：

“怎么上个学期我没见到你？”“去学 engineering 了。”“ Engineering 没意思，还是物理有意思。”“群论学过吗？”“了解一点。”“我这里有个关于 SO(5) 群的问题，需要知道 SO(5) 群的 Clebsch-Gordan 系数。你能不能去算算？”

我回去用周末两天的时间回顾了一下群论，计算了几个表示乘积的分解系数，周一便把计算结果给了他。接下来首晟独有的、甚至有点高调的赞许和肯定的表情是我永生难忘的，当时就忘了自己还想去找别的教授，就这样成为了他的学生。

我后来知道和他接触过的很多年轻人都接受过首晟这种毫不吝啬的标志性的肯定。正是这种肯定，将信心植入我们内心、点燃了物理研究的火种。首晟的这份特质也成为他无时无刻总能吸引有才华的年轻人围绕在自己周围的一个重要因素。

可以说没有首晟，我肯定不会在物理的道路上走下去。博士的 5 年，有好几次都处在和物理“分手”的边缘。周围的环境，时代的背景，研究的起起落落，还有那些内心不应承载的无形压力都让自己没法完全专心于学术。而每一次在这样的十字路口，内心对首晟的那份愧疚和被他点燃的火苗总会把自己拉回来。

记得有次在首晟家吃饭，师母说做科研是世界上最好的工作，大家出钱养你，让你做自己最有兴趣的事，天底下哪里会有比这更好的事情？她还分享了一个首晟的故事。在首晟读博士的时候，Witten 到 Stony Brook 做学术报告，首晟在 Witten 的报告中发现了一个错误，这一个简单的发现让首晟兴奋了好几天，那个兴奋劲，她在俩人恋爱的时候都没感受到过。这就是做研究带来的那份纯粹的喜悦！

那个时候，首晟其实没有太多的研究经费，经费的申请也不是很成功，可是我从未听过他这方面的抱怨，直到多年后看到他写的关于斯坦福科研体会的文章，才知道一些事实。

离开斯坦福做博士后的第一年，我继续做了一些博士期间开展的工作，到了第二年，就决定独立去寻找新方向。

在一次会议上，首晟问我，原先一些很好的想法，为什么不继续做下去？我非常明确地回答想独立做些别的研究。这个回答的确也是发自内心。

首晟的研究选题只有“独立创新”四个字，不管喜欢或者不喜欢他的人，对他的创新精神都是由衷地赞叹。许多首晟的学生，研究的风格和态度都受他很大的影响。

这种骨子里的影响，使得大家如同叛逆期的孩子，渴望去独立开创一片天地，很难坚持在他的领地里寻找定位。也正是因为如此，今天在许多凝聚态理论和与其相关的领域，都可以找到首晟学生的身影。

那时我的回答，现在看起来，有些肤浅和无知，当时的我，显然没有眼光能意识到他开创的拓扑物理新时代的到来。过去十几年，在这个领域，自己唯一能感到欣慰的是，看到很多朋友甚至自己的学生，在他的引领下做出了许多重要工作。

这些天，自己苦苦的反思更增添了无比的内疚。那次交流以后，我不仅觉得伤了他的心，和他的交流变得稀疏起来，而且很少能体会他内心的想法。

最后一次和首晟的交谈是在 2018 年美国物理学会 3 月的年度会议上。我们约了一起吃早饭，简短地交谈了我回国工作后的情况和对高温超导的一些想法，他没有作太多的评论。

最后他问我，知道不知道我们四维量子霍尔效应的模型最近被两篇自然杂志的实验文章实现。我说知道。接着他继续说，你知道我们这个模型是拓扑绝缘体的理论基础，应该好好宣传一下。

这一点他已经多次在我面前提过，和以前一样，我没有正面回答。

一方面，我一直不太习惯将科研成果在媒体上宣传，这份保守是我和他产生一些距离感的原因，甚至刻意回避去读那些他在国内演讲的经典文章。

另一方面，从四维量子霍尔效应到拓扑绝缘体，其中概念的连接，只有像首晟般的天才方能疾速地心领神通，我充其量也只能是作为见证者，而这样的见证者世上寥寥无几，又能见证什么呢？

我们的交谈就这么简单的结束，没有想过这会是最后交谈的机会。我完全忽视了他对我们一起合作科研的那份珍惜，也从来没意识到谈话背后有可能隐藏的是他一生解不开的那个“结”，并且这个“结”会在短时间内被如此放大，成为跃不过去的坎，而我在这样的时候，对自己号称无比敬重的导师，却如同一个旁观者。

首晟的科研

在许多同行看来，首晟的研究生涯至少在大方向上有三次漂亮的转身，每一次转身，都让他的成就跨上一个新的台阶。这一点在现在知识无限细化的时代，看上去非常地与众不同。

应该说我非常幸运地见证了其中的两次，在我看来，这些华丽的转向衔接得非常合理、自然，背后体现的是他对研究方向的卓越洞察及把控能力，融汇贯通自己导师们研究特点形成的独特思维研究模式，以及他对物理世界统一规律的那份理想和追求。

首晟第一次科研生涯的转变发生在他博士和博士后期间，从纯理论的超对称引力研究全面转向凝聚态物理研究。

他在 Stony Brook 的博士论文导师 Peter van Nieuwenhuizen 是超对称引力的创始人之一。首晟没有和我聊过这段历史，不过在多个场合，他都提到了，在德国求学时确立了追求科学统一的人生使命。

带有这份使命感，在那个时代，在那样热血沸腾的年纪，我很容易理解他最终为什么去了 Stony Brook ，并且选择了超对称引力的研究方向。我无法判断他博士论文导师对他科研生涯的影响，可是这个纯理论、缺乏实验的领域显然不太适合施展他的长处。在一个偶然的场合，我还听说他博士论文的开题答辩还是第二次才通过。

首晟最擅长把一个物理现象或者一个理论结果，用最清晰的物理图像、最简洁的思路、最漂亮的数学呈现出来。这种天赋在缺乏实验物理的领域显然很难发挥出来，所以选择实验理论紧密结合的凝聚态物理成为他科研生涯的一次十分正确的选择，并且更幸运的是，他在起步的时候就碰到了一位凝聚态物理的大师，Steven Kivelson 。

Kivelson 是首晟博士后期的合作导师也是我的博士后合作导师。Kivelson 是我一生遇见过的最纯粹的物理学家，无论是他的学问还是为人，都让人无比敬重。

我一直觉得中国科学文化成熟和进步的标志不是能出现多少诺贝尔科学奖获得者，而是在科学工作者里能找出多少如 Kivelson 这样纯粹的科学家。我在加州大学洛杉矶分校做博士后的两年，几乎感觉不到他哪段时间不在思考物理问题，每天的午餐时间，都是一次深入的学术研讨。

在 Kivelson 被“挖”去斯坦福的时候，我记得首晟曾经这样评价自己的导师，“虽然他的年龄比我大，但他在斯坦福从事物理研究的时间肯定还会很长，说不定会比我的时间还长”。这句话，却不幸真的变成了事实。

Kivelson 是从物理的现象和实验结果中提炼出物理概念来构建模型的理论大师，也非常擅于从一个简单模型出发，去分析实验结果的可靠性和背后可能隐含的新物理。与此同时，Kivelson 还是一位非常成功的导师，他培养的学生和指导过的博士后遍布全世界顶级的研究机构。

首晟不仅继承了 Kivelson 的这种纯粹，还将 Kivelson 高度重视实验的研究风格和自己分析问题的独特视角融合在一起，造就了自己将理论中的美和真实世界中的材料及实验联系起来的神奇能力，同时，和 Kivelson 一样，首晟也成为了一位杰出的导师。

Kivelson 也是把首晟带进了量子霍尔效应领域的启蒙老师，他们合作的一项标志性工作就是关于分数量子霍尔效应的 Chern—Simons 场复合波色子的平均场理论。这个理论最早体现了首晟研究的特色：清晰的物理图像和漂亮的数学之完美结合。

今天我们都知道正是对量子霍尔效应的研究开启了拓扑物理的大门，首晟也正是对量子霍尔效应不断的思考和探索，实现了他科研的辉煌和人生的价值。

前几天师弟吴从军分享了他在博士期间和首晟的一次讨论。首晟问他对分数量子霍尔效应，是朗道能级重要还是电子间库仑相互作用重要？一般人肯定会回答后者，因为前者是只要学过量子力学的本科生都能解出的习题，而首晟的回答却是朗道能级才是新物理的源头，而不是无处不在的库仑相互作用。这种理解和他对拓扑绝缘体的认知如出一辙。

首晟的第二次科研的转变发生在去了斯坦福任教以后，从量子霍尔效应的研究转到了另一个凝聚态物理最重要的领域——高温超导，并且在高温超导领域一鸣惊人，使得他成为凝聚态物理理论研究的一面新的旗帜。

在谈第二次转变以前，我必须讲讲研究的背景，领域的特点以及杨振宁教授对他的影响。进入 20 世纪 90 年代，量子霍尔效应理论已基本成熟，像首晟这样一批在量子霍尔效应研究中成长起来的年轻人，目标很自然地转移到强关联高温超导。

但是高温超导领域不如量子霍尔效应那样对年轻人那么“友好”，这里已经有无数成名的前辈都建立了自己的理论，要切入这样的领域，不仅需要把握合适的机会也需要有别具匠心的视角。而这个时候，首晟和杨振宁先生合作关于 Hubbard 模型的 η - 配对和 SO(4) 对称性的工作，刚好为这一切做了准备。

杨振宁先生对首晟的影响是全方位的，是首晟名副其实的人生和科研导师。首晟因杨先生而选择了 Stony Brook ，杨先生的建议在首晟的第一次科研转变中也发挥了重要作用。

更重要的是，在这位伟大的数学物理学家身上，首晟身临其境地感受到了数学的强大魅力。首晟正是基于他们的合作工作，将对称性在凝聚态物理中的应用提升到了一个新的境界。

我现在都还清楚地记得，首晟在谈到他们这项合作工作时流露出对杨先生的那份由衷的佩服之情：杨先生和他讨论了 Hubbard 模型后就乘机回东部，一下飞机就把在航行途中完成的手稿传真给了首晟，首晟说他一辈子都没见过比这更完美的手稿。

另外在我博士期间做一个一维问题的时候，首晟提到杨先生推导出 Yang—Baxter 方程的过程，就是从分析两个粒子和三个粒子体系出发，再推广得到这个重要的方程。其实许多重大原创工作的背后都是这种化繁为简，返璞归真的思维方式。我想首晟一直强调的大道至简、寻美求真的理念也源自于杨先生根深蒂固的影响。

对高温超导的切入口来自 90 年代中期的中子散射实验结果：一个和超导态紧密相关的共振散射峰的出现。首晟非常敏锐地意识到，这个实验结果可以和考虑自旋三重态推广后的 η - 配对几乎完美地联系起来，并且这样的推广也很自然地把反铁磁和超导纳入一个统一的框架，而描写这个统一框架的数学就是 SO(5) 对称群。就这样， 一个SO(5)高温超导理论诞生了。

首晟的理论一出现就受到了极大关注，成为当年美国物理学会 3 月年会讨论的最热的热点。这个理论对很多研究凝聚态物理的人来说是一种心灵的震撼：一个像高温超导如此复杂的凝聚态体系，可以被数学里一个如此高对称性的群所描写，这简直就是高能物理中追求描写基本粒子统一自然规律理论的再现。

首晟通过他的理论传达了自己最初的信念——物理学在任何能量尺度都能够存在统一的内在规律。虽然今天还没有公认的高温超导理论，但是 SO(5) 高温超导理论的影响已经远远超出了高温超导领域本身。

张首晟教授 2011