諾貝爾物理學獎與華裔科學家張首晟之死

2019年進入10月份，國際局勢依舊充滿著不確定與不平靜。英國脫歐進入倒計時，美國總統特朗普因「電話門」正面臨彈劾危機，中美經貿磋商取得實質性進展，香港開始實施《禁止蒙面規例》但局面依然不容樂觀，莫雷的不當言論或讓NBA失去中國市場……

眾多撲面而來的消息，使得連諾貝爾獎這樣的盛事都顯得有點兒落寞和寂靜了。自10月7日起，2019年度諾貝爾獎各個獎項已經陸續揭曉，筆者一直關注的是今年的物理學獎到底花落誰家。

10月8日，諾貝爾物理學獎揭曉。瑞典皇家科學院宣布，將2019年諾貝爾物理學獎授予加拿大物理學家吉姆•皮布爾斯（James Peebles），以表彰其對物理宇宙學的理論發現。與此同時，兩位瑞士天文學家米歇爾•麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃•奎洛茲（Didier Queloz）也獲得該獎，因為他們發現了太陽系外行星。

筆者持續關注這個話題，是因為美籍華裔物理科學家張首晟。在他的老師——1957年的諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧眼中，憑藉張首晟在物理學上的天賦和貢獻，「獲得諾貝爾物理學獎只是時間問題」，但他卻在2018年12月1日驟然離世。

深圳與張首晟也有著不解之緣。他曾預測：下一個矽谷不是上海就是深圳。自2016年首次亮相在深圳舉辦的中國IT大會，作為演講嘉賓，他的身影連續三年出現在大會的現場——深圳五洲賓館。筆者記得他2018年的主題演講題目是：量子計算、人工智慧與區塊鏈。

也正是他在深圳的出現，成為他身後傳言四起的緣起。因為傳說2017年，在深圳參加會議期間，他與世界5G領域冉冉升起的新星——華為有過所謂「神秘接觸」。

（2017年，張首晟在中國（深圳）IT大會上）

諾獎期待下的明星學者

張首晟，美國華裔物理學家，史丹福大學終身教授。他率領的研究團隊於2006年提出了二維拓撲絕緣體中的「量子自旋霍爾效應」，將其基於晶片業未來提出的新構想：通過控制電子的自旋運動來降低能耗，在理論上完成了預言。2007年，這一理論預言被德國維爾茨堡大學實驗小組通過實驗證實。同年，張首晟研究團隊提出的"量子自旋霍爾效應"被《科學》雜誌評為2007年"全球十大重要科學突破"之一。

張首晟的團隊還於2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現量子反常霍爾效應的可能性。5年後，由中科院院士薛其坤領銜的中國實驗團隊從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應，這一結果被美國《科學》雜誌於2013年3月14日在線發表。

由於在拓撲絕緣體這個領域的傑出貢獻，張首晟幾乎拿了物理學領域的所有獎項。早在2010年，他就已經獲得「歐洲物理獎」，2012年獲得了凝聚態物理領域的最高獎——美國物理學會「奧利弗•巴克利獎」，同年，又獲得國際理論物理最高獎「狄拉克獎」。

（2012年8月8日張首晟與F. Duncan M. Holdane、Charles L. Kane共同獲得狄拉克獎）

2013年的「基礎物理學獎」頒獎盛典在瑞士日內瓦舉行，該獎被學界稱為科學界的奧斯卡獎，評委會將基礎物理學特別獎授予霍金，並將物理學前沿獎授予張首晟和他的同事。2014年11月3日，美國富蘭克林學會宣布授予張首晟班傑明•富蘭克林獎，以獎勵他在拓撲絕緣體領域的開創性貢獻，這是繼楊振寧之後第二位獲此殊榮的華裔科學家。

「這是我人生中首次獲得我的至高偶像愛因斯坦曾獲得的榮譽，科學的人生充滿探險和浪漫，只求獎章能使這些偉大科學家的精神在我求知路上時時相伴。」張首晟獲獎後對媒體感慨道。

什麼是拓撲絕緣體？通俗來講，電子在晶片上運動時，相互碰撞可以發熱，而拓撲絕緣體為電子搭建高速公路，讓它們能夠在一條一條的單行道上行駛，從而不會相互碰撞和產生熱量。物理學界認為，這將對晶片行業尤其是5G晶片帶來革命性的改變。如果用這類材料製造晶片，消耗能量很少，晶片超小，性能超強，對用戶來說最直觀的感受就是「超長待機」。

對自己的這名學生，楊振寧曾經多次預言，「獲得諾貝爾獎只是時間問題」。然而，在這一願望成真前，張首晟的生命燭火卻突然熄滅了。

一連串的巧合

2018年12月1日，應美國要求，加拿大警方在溫哥華國際機場扣押了華為財務長孟晚舟。美方稱，懷疑她和她工作的企業違反了美國制裁伊朗的出口禁令。

就在同一天，離諾獎最近的華裔物理學家張首晟突然在其舊金山家中意外去世，終年55歲。他的夫人余曉帆說，「首晟走得如此匆匆，書桌上還堆滿他未完成的工作」。

據報道，張首晟是跳樓自殺，並稱在此之前的11月20日，美國貿易代表辦公室更新的《301調查報告》中,曾點名張首晟創辦的丹華資本，懷疑它為中國竊取美國高科技公司技術。

但他的家人表示不方便透露死因，只對外發表聲明：「在與抑鬱症頑強對抗後，我們敬愛的首晟意外離世」。

（張首晟與家人合影，攝於2013年）

很快，有人將同一天發生的這些事件聯繫起來，各種「陰謀論」開始在網際網路上醞釀。捕風捉影的故事，雖非真相，卻最易流傳。

更有媒體報道稱張首晟生前曾遭到FBI調查，但12月8日，張首晟的家庭發言人對外闢謠，稱「目前沒有警方的死亡調查報告，張首晟也並未受到FBI的調查」。並表示，「直到現在，他的家人才明白張首晟在跟抑鬱症作鬥爭。在此之前，即便是最親近的人，也很難發現親人的痛苦和掙扎」。

雖然一時有些難以置信——很難想像一個天才的物理學家，竟然死於抑鬱症，但這確實是為其家人所確認的事實，而且分析起來也算合乎情理。

但坊間依然眾說紛紜，有時人們情願相信一個簡單粗暴的「真相」，也不願認真剖析一個人的心路歷程；或者說人們更關心大事件的發生，卻往往漠視其中個體真實而複雜的命運。

從初中直接考上大學的天才少年

1963年2月，張首晟出生於上海一個書香世家，父母都是工程師。祖父張彝1906年考入復旦公學，是復旦建校後的第二屆學生。張首晟發現家裡的閣樓是個神奇世界，總能在這裡發現許多有趣的物件，從伯父的大學畢業相冊，到《西方哲學史》《西方藝術概論》等書籍，在那個流行「讀書無用論」的時代，沉浸在閱讀中的張首晟顯得有些奇怪。

更加與眾不同的是，他讀書只看感興趣的部分，磚頭一樣厚的書在他那裡不到一周就「翻」完了。只有遇到真正感興趣的地方，張首晟才會真正埋頭讀下去，絕大多數內容是被他跳過的。在多次公開演講中，張首晟都提到過，他在小學時基本上把「對自己人生影響較大」的書都讀完了，但從來沒有從頭到尾讀完過一本書。在他看來，讀書是一個了解思維方式的過程，不是吸納所有信息，而是有針對性地進行篩選。

1978年，國家恢復高考，15歲的張首晟剛剛初中畢業。當時上海允許初中畢業生直接參加高考，張首晟在家人的支持下，憑藉自學父親給他的一套高中教科書，跳級考入復旦大學物理系。

那時正是中國改革開放之初，人才短缺，國家支持自然科學領域的人才公派出國留學，張首晟又幸運地趕上了留學潮的第一班車。1979年，大學第二個學期開始，正在宿舍自習的張首晟被班主任告知，他將被選派前往德國柏林大學深造。1980年，17歲的張首晟，還沒來得及拿復旦文憑，就踏上了留德之旅。

在異國他鄉，張首晟再次展現出學習上的天分。柏林大學的學制為五年，不少人甚至花了七年才畢業，但憑藉獨特的學習能力與勤奮，張首晟僅用三年就完成學業。攻讀學位期間，他還開始思考自己的學術方向，他將愛因斯坦揭示的宇宙四大力統一起來作為自己的最高理想，而自己的偶像楊振寧在這方面頗有建樹，追隨楊振寧就成了張首晟當時的目標。

命運再次眷顧了這位努力奮鬥的青年。從柏林自由大學畢業後，張首晟被美國紐約州立大學石溪分校錄取，如願成為楊振寧的弟子。但與預想相左的是，導師並不支持他從事統一場論或基本粒子物理的研究，而是向他推薦了凝聚態物理。

「我當時覺得簡直是不可思議，什麼是凝聚態，我聽都沒聽說過。」張首晟多次在演講中表達過他最初的不解，同時也表達了對導師的敬服。當時楊振寧勸他，實驗在物理髮展中非常重要，凝聚態領域中有非常奇妙的實驗值得關注，完成愛因斯坦的夢想不一定要做「統一場論」，在凝聚態這樣一個看得見、摸得著的「沙粒」里也可以看到整個世界的奧秘。

張首晟聽從了導師的建議，這也為日後他在凝聚態物理領域確立地位奠定基礎。如今看來，張首晟很多地方都能看到恩師的影子。

天才少年張首晟的科學之路是如平坦和順利。1987年，獲得美國石溪大學博士學位；同年，任美國Santa Barbara理論物理研究所博士後研究員。1989年，進入IBM阿爾瑪登研究中心任高級研究員。1993年被史丹福大學聘為物理系教授；1996年被史丹福大學評為終身教授，當時他才34歲，是史丹福大學史上最年輕的終身教授。

（張首晟2017獲得中華人民共和國國際科學技術合作獎）

2009年，張首晟入選中國「千人計劃」，被清華大學特聘為教授。

2013年，張首晟入選中國科學院外籍院士

2015年，入選美國科學院院士。

在2017年國家科學技術獎勵大會上，張首晟獲得了中華人民共和國國際科學技術合作獎，理由是他積極參與和中國科研院所的合作，直接促成中國在量子反常霍爾效應、拓撲絕緣體以及新近的外爾半金屬等領域的國際領先地位。

選擇了與楊振寧不一樣的路

余曉帆說，張首晟最崇拜的三個人分別是愛因斯坦、狄拉克和楊振寧先生。曾幾何時，年輕的張首晟對自己的事業也很困惑，即將從德國大學畢業的他曾經動搖從事科學的信念。但最終張首晟決定像這幾位偶像一樣毫無保留地將所有的時間和精力奉獻給科學研究。

事情的經過是這樣的，有次張首晟和幾位好友到德國著名的大學城——美麗的哥廷根小城遊玩，哥廷根大學歷史悠久，曾有許多偉大的數學家，物理學家和化學家在這裡任教，他們共同創造了人類科學文明群星閃爍的輝煌時代。

（1981年攝於哥廷根）

幾位年輕的留學生冒著寒風來到當地的墓地，每塊墓碑上除了留有科學家們的名字，出生年月，還不尋常地鐫刻下了他們生前留下的著名公式——馬克斯•普朗克的是著名的普朗克常數，奧托•哈恩的是一則核反應公式，而波恩的是波函數機率的分析……

張首晟常說：「墓地是冥思人生意義的地方。人生短暫，時光飛逝，肉體朽亡之後，到底能留下什麼？」

正是這次旅行所見，激發了他對生命意義的思考：「生命的意義就只有兩種。能超越朽亡肉體的，一是我們傳承給兒女的基因，繁衍生息；二是我們創造的思想，載入史冊，貢獻於人類文明。在我敬仰的科學家的墓碑前，我理解了生命的兩層意義，之後人生不再迷茫，願把青春的熱情貢獻於偉大的科學，願我的一生也能用一個公式來總結。」

張首晟在這條純粹的科學之路上一帆風順。他的老師楊振寧，在張首晟離世後，曾經致信《光明日報》，表達對愛徒的無限懷念和哀悼。信中楊振寧說，「物理學界普遍認為張首晟與他的合作夥伴Kane和Molenkamp一定會得諾貝爾獎，現在張不幸逝世，我相信Kane和Molenkamp早晚會得到諾貝爾獎。」

然而2013年，過去一路順風順水的張首晟有了新志向——跨界投資。與他崇拜的老師楊振寧習慣於把自己的活動界定在科學世界裡不同，張首晟走上了另一條岔路。

他曾公開表示，「這個真正完美的世界是一個量子的世界，就是量子的一個粒子，它的確是百分百可以平行做兩件事情，量子的世界是平行的，我想我的人生也可以達到這種境界。」天才身上總有一種傲氣。

這一年9月，張首晟和他在史丹福大學的應用物理學博士谷安佳聯合創立了丹華資本，主要關注包括人工智慧、大數據、醫療健康、企業級應用、區塊鏈等領域，投資創業階段為早期以及成長期的公司。

張首晟曾做過天使投資。早年間，他與鄰居在看自己的孩子踢足球時聊天，得知對方是研究作業系統的，創辦了一家做虛擬機的公司叫VMcare。張首晟看好這一想法，便給了鄰居一筆天使投資。這家公司後來成為整個全球雲計算的一個機體，最高市值曾達480億美元，這筆投資給張首晟帶來了上百倍的回報。

（2013年和學生合作創辦丹華資本）

公司取名「丹華」，「丹」代表史丹福，「華」代表中國。據說他建立丹華的初衷，是打通兩個橋樑。一是把前沿科技和投資結合在一起，二是把中國和美國結合在一起。

憑藉張首晟在科學界的聲望和地位及他與谷安佳在史丹福深厚的人脈網絡，丹華資本起點很高。2017年，張首晟曾在接受鳳凰財經的採訪時透露，人們所知道的中國幾乎所有的知名網際網路公司，接近80％到90％，都投資了丹華資本。「丹華資本公司從創立初期資產規模的2000萬美元，當前資產規模接近1億美元，接下來將有3億美元的資金投入，此外還將在國內募集10億人民幣。」

然而科學家的理想在國家利益面前，如雞蛋碰到石頭一樣輕而易舉就破碎了。2018年中美貿易爭端又起，國際形勢一時風雲突變。任何時代，任何國家，對於自己的「敵人」都不會手軟，即便是「假想敵」。

首批千人計劃成員+明星華裔物理學家+丹華出資方中有中國國企的影子，這些因素疊加在一起，讓張首晟霎時處於風口浪尖。

有媒體報道，2018年11月20日，美國貿易代表辦公室更新的《301調查報告》中,點名張首晟創辦的丹華資本，懷疑它為中國竊取美國高科技公司技術。

301調查是美國依據《1988年綜合貿易與競爭法》第1301－1310節共301個條款進行的調查，它旨在保護美國在國際貿易中的權利。根據條款，美國可以對它認為是「不公平」的其它國家的貿易做法進行調查，並可與有關國家政府協商，最後由美國總統決定採取提高關稅、限制進口、停止有關協定等報復措施。

有分析稱，這幾乎為丹華資本判了「死刑」，因為美國此舉使得中國資本不敢投資丹華，矽谷的項目也不敢接受丹華的投資。

張首晟花費了巨大精力的跨界投資，遭遇到前所未有的危機。這件事情到底對這位天才心裡投下了多大的陰影，這個問題的答案我們已經無法知曉。不幸的是，這時張首晟的學術生涯也變得不再順暢。

「天使粒子」的另一面

縱觀張首晟的學術生涯，有三個高峰：拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應和天使粒子。其中，天使粒子在實驗室中的發現，是基於前兩個基礎理論的。

「天使粒子」這個名字是張首晟首先叫起來的，其實這一粒子的「學名」是「馬約拉納費米子」。1937 年，義大利理論物理學家埃托雷•馬約拉納發表論文，假想一種粒子存在，即粒子本身又是其反粒子。該粒子因此被命名為馬約拉納費米子（Majorana fermion）。它是一種物質組成的基礎粒子，不可再分。

「有理論一直期望找到一種最最基本的粒子，組成萬物的最小單位，」馬約拉納費米子的發現人之一，加利福尼亞大學洛杉磯分校電機工程系教授王康隆介紹說。「馬約拉納費米子，打個比喻吧，自然界有陰陽、男女，而這種費米子好像太極，陰陽結合成一個符號那樣。因為多年來，這種粒子一直沒有被真正發現，所以研究慢慢冷卻。20 多年前，因為量子計算機的研究，使得這一研究領域再次受到關注。」

王康隆說：「量子計算機存在不穩定性，如一個比特（10） 運行中，往往需要10 個比特進行護衛，保障其穩定性。」因此他把這項研究先擱置一下，轉而開始尋找能保障穩定性的粒子，由此開始走向尋找馬約拉納費米子的方向。

而拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應恰恰為尋找這一粒子提供了理論基礎。賓州大學Charles Kane 教授和張首晟都先後提出，可以利用拓撲絕緣體和超導體耦合來研究馬約拉納費米子。在2010年到2015年之間，張首晟團隊連續發表三篇論文，預言在哪裡能夠找到馬約拉納費米子，並指出哪些實驗信號可以成為找到該粒子的證據。

最終，在加利福尼亞大學洛杉磯分校何慶林、王康隆課題組和美國史丹福大學教授張首晟課題組、上海科技大學寇煦豐課題組等多個研究團隊共同努力下，終於在實驗室發現了馬約拉納費米子。這一成果的論文發表在2017年7月21日的《科學》雜誌上。

張首晟將發現的馬約拉納費米子稱為「天使粒子」，他對此解釋說，「就好像發現了一個完美的世界，只有天使，沒有魔鬼。」

發現馬約拉納費米子是一項里程碑式的科學發現，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應用價值。據介紹，馬約拉納費米子為量子比特的穩定安全存儲提供了新的方式，從而使有效的量子計算成為可能。於是「天使粒子」也成為2018年諾貝爾物理學獎的「熱門選手」之一。

但與此同時，學術界對這一發現也提出了諸多質疑。據專業人士透露，目前該實驗並沒有被成功重複，科學家們還在求證實驗本身可能存在的問題。

王康隆教授也認為，把這個研究成果運用於量子計算機，那是「太遙遠的事情了」。「我們只是朝著一個方向在走。科學就是這樣，一代一代人朝著一個方向曲曲折折地走，有的可能取得突破性進展，有的可能什麼都沒有。」王康隆說。

另一方面，團隊內部對張首晟在該研究中的工作比重是否匹配論文前四名通訊作者的身份發出質疑。王康隆曾公開澄清，這次發表在《科學》雜誌上的研究是「實驗性」工作，非理論性，張首晟教授根本沒有參與到具體的實驗中。

其實，即使諾貝爾物理學獎授予「天使粒子」的發現，張首晟僅僅作為前四名通訊作者，也很有可能與其失之交臂。因為按慣例，諾獎一個獎項最多授予三個人。

不過最終，「天使粒子」並沒有受到諾獎的青睞，2018年10月2日，最終是美國的亞瑟•阿斯金、法國的傑哈•莫羅和加拿大的唐娜•斯特里克蘭共同獲獎，以表彰他們「在雷射物理領域的突破性發明」。

曾任北京大學理學部主任的饒毅，在張首晟去世後發文紀念。饒毅說這篇名為《聽從內心的張首晟》的文章，本是他準備在張獲得諾獎後發朋友圈的，「我們以為最容易預計的是他得諾獎，絕對沒有預料到成為哀悼。」

在整件事情中，張首晟的心理過程我們無法得知，但我們可以想像，學界的爭論、師友的熱烈期望和最終的失落，這些一連串的事情對他的影響。

張首晟的朋友，中國科學院大學張富春教授曾回憶說，「張首晟有睡眠問題，每天睡前需要游泳來舒緩。做理論物理的人不少人都有睡眠問題，張不算嚴重。」

張首晟的夫人余曉帆在2019年清明節撰文回憶道，「凌晨的兩三點，對於首晟來說是一天中的黃金時段。他說只有在夜深人靜的時候，才能放下一天繁雜的工作，讓自己的思緒飛揚。但工作帶來的興奮和過度的勞累，常常使他難以入眠，萬分煩惱」。

從中可以推測：在科研與投資之間不斷切換，張首晟日常的工作應該是超出常人所能忍耐的強度，另外，其中也可以看到抑鬱症的影子。

其實抑鬱症最可怕的地方，是患者日常可以表現得風輕雲淡，連親人也很難發現。抑鬱症的隱秘和可怕，在美國作家卡羅琳•帕克絲特的小說《巴別塔之犬》中有過細緻的描述。

2018年12月1日，當一切都交織在一起，張首晟最終作出了一個令世人震驚和惋惜的選擇。

余曉帆說，「我們永遠無法預測命運會帶來怎樣的考驗。首晟的突然離世給我和孩子們帶來了無法承受的打擊，讓我們悲痛欲絕。無數個『為什麼』縈繞腦海。對於沾枕即入夢鄉的我，又如何能理解徹夜難眠的他所經歷的痛苦呢？」

在史丹福大學物理係為張首晟舉辦的追思會上，他的同事也是摯友，1998年諾貝爾獎獲得者Bob Laughlin教授這樣說，

「張首晟是中國給全世界最偉大的禮物之一，他是我們這一代物理學家中的佼佼者。他的離去對我們來說不僅僅是失去一位摯友，更像是失去一位出征未歸的戰士。他出生於上海，少年出國留學，經歷重重逆境，戰勝各種困難，攀登科學高峰，成為有影響力的科學家和思想家，並回饋了他的同胞，就像所有神話中的英雄一樣。所以他不僅是一名物理學家，他更有一顆赤誠的中國心」。

如其所願，張首晟的墓碑上除了他的名字和生卒年月，只有一個濃縮了他在拓撲絕緣體領域的學術研究精華的公式：H=AΓ•k+Γ5M(k)，它描寫的是量子自旋霍爾效應和拓撲絕緣體中的電子運動規律。

墓碑的背面，就是張首晟最愛的詩句：「一沙一世界，一花一天堂。無限在掌中，剎那即永恆。」這首詩出自於英國浪漫主義詩人威廉•布萊克。

余曉帆說，「在這裡，願他的靈魂如放飛的白鴿一樣，得以自由、平安地飛翔。」

（張首晟墓碑）

結語

2019年10月12日，美國駐華大使館的官微轉發美國總統特朗普的一條推特說，「中美已經達成非常實質的第一階段協議，我們已經在智慧財產權、金融服務上達成協議，美中之間艱苦的談判已為兩國帶來一個極好的協議！」

由美國挑起的貿易爭端起起落落，兩國經濟皆有損傷，在這一大事件中，許多個體的命運因為受到其或多或少的影響，隨之發生了改變。張首晟只是其中之一，據香港《南華早報》報道，雖然美國超過10%的發明是由華裔科學家創造的，但如今這一群體在美國正面臨越來越嚴格的審查和孤立。

康德說，「人不是手段，而是目的」，馬克思主義也堅持，人不僅僅是手段，也是目的。個體在國家面前是渺小和脆弱的，但只有當個體的尊嚴被置於應有的高度時，才是真正的文明時代。

參考資料：

1. 余曉帆《今天為你豎起一座墓碑》，2019年04月05日。

2. 中國新聞周刊《張首晟長期跟抑鬱症作鬥爭：君掌盛無邊，剎那含永劫》，2018年12月14日。

3. 人民日報《以華人科學家為主體的科研團隊宣布找到「天使粒子」》，2017年07月22日。

4. 國內科學媒體平台「知識分子」文章《張首晟、王康隆爭議「天使粒子」研究 》，2017年8月11日。