首晟的第三次科研的转变来得非常快，短短几年就从高温超导的强关联体系全面转到了对自旋轨道强耦合体系的研究，开启了拓扑物理的新篇章。在过去十几年，首晟一直引领了这个领域的发展，他的拓扑绝缘体理论工作也让他获得了无数重要的科学奖项。 如今拓扑的概念已经与凝聚态物理和材料深深地绑在了一起，首晟培养的许许多多优秀学子都站在了这个领域的最前沿，继续探索着拓扑世界的无限可能。首晟在拓扑物理方面的成就有着许多朋友、同事以及同行的评说。作为他这次科研转变早期的见证者，在这里我想分享在这次转变过程中的一些独特经历，感受和认知。 2000 年的那个暑假，我跟随首晟访问了清华大学杨振宁先生的高等研究中心。那时候，首晟在中心的学术报告和我的研究都是关于 SO(5) 高温超导理论。 可是就是在清华这段时间，首晟跟我聊了他的关于 SO(5) 对称性的一个新想法：传统的二维量子霍尔效应，如果在中心有 Dirac 磁单极子的 Haldane 球面上考虑，满足的是 SO(3) 对称性；如果推广到四维空间的量子霍尔效应，在中心有非阿贝尔的杨—磁单极子的五维空间球面上考虑，满足的是 SO(5) 对称性。我不知道他这个天才的想法是不是跟来到杨振宁先生的中心想到杨—磁单极子有关。 回美国后，我就去加州大学圣巴巴拉分校的理论物理中心呆了半年，等到我回到斯坦福的时候，首晟已经基本上将这个问题研究清楚，我帮忙补充了数学的推导和模型边界态的分类后，首晟就以相对论可以从一个非相对论量子模型边界态演化出来的角度写了文章。这篇文章还让首晟登上了纽约时报科学栏目的专题报道。 张首晟与作者的四维量子霍尔效应文章第一稿（左）；张首晟教授相关手稿（右） 在这里，我用这么拗口的学术语言将这段历史叙述出来，目的就是想分享一个事实，首晟正是基于上述工作开始了他科研生涯的第三次转变。他在这个时候已经对那些后来成为拓扑绝缘体理论基础的基本要素讲得一清二楚。 文章发表后没几天，首晟在一次讨论中用三句话表达了对文章里模型内在物理的基本看法和应该努力的方向： (1) 和二维量子霍尔效应最大的不同，这个模型是时间反演不变的，边界流是自旋流； (2) 本质上模型需要的就是自旋轨道耦合相互作用； (3) 过去自旋轨道耦合相互作用在凝聚态物理中没有被认真地重视研究。 他甚至当时就清楚地描述了，在自旋轨道耦合作用下量子自旋霍尔效应螺旋边界态的图像。这项工作让首晟的研究全面转向自旋轨道耦合的物理系统，导致了拓扑绝缘体理论和材料的发现。回顾这段科研往事，我还是被他这种科研方向的卓越洞察力和决断力深深地震撼。 对首晟来说，他后来拓扑绝缘体的工作的确只是这项工作的延伸而已，这在他与合作者的综述文章里有着非常清楚的论述。从我的角度来看，他的许多认知的确比 Kane-Mele 经典理论文章的出现早了好几年。 我曾经被人问过：既然首晟对量子自旋霍尔效应有这么清晰的图像，为什么当时不立刻直接去构造一个像 Kane-Mele 模型一样的模型？我个人的回答是首晟，和我们许多人一样，都对能带的理论缺乏重视。 作为固体物理基础的能带论，已经在很多人的头脑里固化，这一点其实是大家思维的共同盲点，也是 Haldane 模型这么多年没受重视的原因。Haldane 模型的本质就是能带里可以出现非平庸的拓扑结构，我不知道首晟当时知不知道 Haldane 的这个工作，即使知道，可能这一点也没给他留下很深的印象。 其实，Haldane 本人都没有意识到自己工作的重要性。几年前，和首晟的一次交流中，他也曾经感慨的说，能带论也是一个伟大的理论。我想他应是基于这个盲点发出的感叹。 张首晟教授 2018 年7 月在国科大 Kavli 理论科学中心作报告 这个盲点的根源就是像半导体物理这样成熟的学科早已从凝聚态物理中剥离。但首晟随后用他的物理直觉立即开始转回去考虑半导体中自旋轨道耦合的影响。他之后的工作都在这个方面，他经过近两年的研究将这块补上。 我记得 2004 年上半年，Bernevig 有次在电话里告诉我，他和首晟正在考虑一个在半导体能带里非常有意思的模型，或可实现量子自旋霍尔效应，问我有没有兴趣一起做。当时我正忙于找教职，便没有参与，我感觉那时他们已经非常接近发现拓扑绝缘体的突破口。从这个时间点看，首晟和 Kane 的确是拓扑绝缘体理论最早独立的提出者。 理想的世界 1998 年 10 月的某天下午，在斯坦福大学物理系 Varian 大楼旁大树下的草坪里，系里的学生和老师都沉浸在祝贺 Bobert Betts Laughlin 教授获得 1998 年诺贝尔物理学奖的喜悦中。这已经是系里连续第三年为获得诺贝尔奖的教授在这颗大树下举办庆祝活动。 Laughlin 由于分数量子霍尔效应的理论工作获奖，他的办公室就在首晟的隔壁。首晟和他彼此欣赏，平日里经常一起讨论物理问题，每到高兴时他俩经常发出响彻楼道的笑声。那天的庆祝活动首晟迟到了些，两个人见面的问候和祝贺依旧是那标志性的笑声，在笑声里，听到 Laughlin 大声对首晟说，“ You are the next ”。 张首晟教授斯坦福大学办公室所在的 Mccullough 楼 翻开当年的记忆，首晟就是在这样一个理想的王国里追求着自己心中的科学理想。那里有最明媚的加州阳光，最美的校园，最亲的家人，最好的同事，源源不断地来自四面八方怀揣科学梦想的最优秀的青年学子，还有斯坦福永远不变的格言——让自由的旗帜高高飘扬。 这是一个外在和内心都高度统一的理想世界，在这样的世界里，首晟天才般的智慧可以完全驾驭一切，无拘无束地去开拓征服知识的每一块处女地。 这些天，除了悲痛，我一直试图从这几年首晟留下的足迹里寻找蛛丝马迹，读了他最近的一些文章，突然明白他那份思考万物本源的初心，对理想世界的追求从来都没有改变过。 首晟希望的是将整个世界构建在纯数学和物理基础上，用第一性原理思考人类的命运。对现代的科技，首晟看到的是数学公式和物理原理的原力；对人类的知识，首晟理解的是能浓缩于一个信封背后刻下的九行精华；对大数据爆炸的时代，首晟希望的是用数学还给每个人公平的权利；对波澜壮阔的人类史诗，首晟推出的是背后物理能量的演化。 我们学生之间谈到首晟的时候，曾经总是开玩笑：物理对首晟是太小儿科的领域，他应该在别的更大的领域，更大的舞台发挥作用。首晟的确也是把富兰克林这样的全才作为榜样。可是首晟的思维，不管走得多远，还是深深扎根于理想的物理世界，从来没有背离过自己最初的信念。那些近乎完美的看上去很轻松的演讲，其实都是他认真思考后一点一滴的浓缩。 宁静的斯坦福校园，承载了许多学子的梦想与现实 首晟不仅是一位成功的知识创造者，也是我们这个时代卓越的知识信使。只要是首晟进驻的领域，他对知识的讲解和传播都会产生强大的共鸣，唤醒无数人对科学的梦想，我们都因此而受益。 但由于这一点，我们经常只看到了他的光环，而忽视了他背后的那份付出和承担。首晟因此也负载了太多的期望、压力，甚至有时候还被误解。 我这几天常扪心自问：当我内心挣扎的时候，有他这样一座灯塔在前方指引，有朋友在侧为我分忧，而作为天才的首晟，心中的孤独和压力，又该如何抚慰和释放？ 现实的世界总是不会完美，有时甚至连公平都是一种奢求。学物理的人，都有一个理想的世界，大部分人都在两个世界中画了边界寻找平衡点。 而首晟的理想世界是那么的宏大，用理想改造现实世界的愿望是那么的强烈，这里再也没有边界，平衡已经不是目标。当现实和理想在这个时候碰撞，是不是再也回不到平衡点？ 人的生死，不是物理的规律。首晟告诉我们用时间反演对称性理解拓扑绝缘体，可是在现实里时间一去永不复返。虽然今天已经无法在现实里唤醒首晟，但在我理想的世界，首晟永远是我活着的导师。 结语 2018 年 9 月我顺访斯坦福的时候，站在 Varian 楼的走廊里，发现楼旁那棵记忆无数欢乐时光的大树不知什么时候不见了，心里蓦然升腾起短暂的失落。 如今，心中的那棵大树也已经在现实的世界里消失，悲伤之余，我却似乎找到了答案，就让我们相信他们在远处理想的世界里又一次结伴相随…… 本文发表在《物理》杂志 2019 年第 1 期 |
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