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访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事
访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事
来源:usqiaobao.com | 作者:章宁 | 8/11/2017 6:21:11 PM | 浏览:743 | 评论:0

近日,一个特大新闻引爆了中文媒体:美国华人科学家发现了“天使粒子”,拿诺贝尔奖已是早晚的事。不久之后,即有人站出来指出这一成果有炒作之嫌。

“天使粒子”是怎样炼成的?

针对媒体的大肆炒作, 与此事有关的加州大学洛杉矶分校教授王康隆披露了这项研究的内幕,并且直言,无论是粒子名称,还是粒子发现之后的媒体宣传,均偏离了科学研究的精神。

另外,一些了解有关研究的学者也对媒体的报道提出质疑,认为所谓发现“天使粒子”有吹嘘、炒作之嫌。

访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事

王康隆(右三)与他的马约拉纳费米子研究团队的几位博士、博士后学生在实验室合影。右二为论文第一主笔、左三为第二主笔、左一为第三主笔,左二为第四主笔。(章宁摄)

研究主导人揭秘 “天使粒子”纯属炒作

王康隆首先正名。他说:“什么‘天使粒子’?完全是商业炒作! 马约拉纳(Majorana fermion)就叫‘马约拉纳’!我们多年来一直在这条路上走,和好几位学生不断做科研。我从来没打算去面对媒体, 更不要说什么‘诺贝尔’,提都不要提。”可是,为什么会有“天使粒子”之称呼呢?既然王康隆没有主动面对媒体,为什么他们的科研成果被媒体广泛报道了? 针对疑问,王康隆详细讲述了马约拉纳费米子科研项目的前前后后。

给量子计算机找稳定保障 开启研究

相关科学文献显示,1937 年, 意大利人埃托雷·马约拉纳发表论文,假想一种粒子存在,即粒子本身又是其反粒子。该粒子因此被命名为马约拉纳费米子(Majorana fermion)。它是一种物质组成的基础粒子,不可再分。

“有理论一直期望找到一种最最基本的粒子,组成万物的最小单位,”王康隆介绍说。“马约拉纳费米子,打个比喻吧,自然界有阴阳、男女,而这种费米子好像太极, 阴阳结合成一个符号那样。因为多年来,这种粒子一直没有被真正发现,所以研究慢慢冷却。20 多年前, 因为量子计算机的研究,使得这一研究领域再次受到关注。”

王康隆接着说:“我1980 年开始研究量子计算机。量子计算机存在不稳定性,如一个比特(10) 运行中,往往需要10 个比特进行护卫,保障其稳定性。”因此他把这项研究先搁置一下,转而开始寻找能保障稳定性的粒子,由此开始走向寻找马约拉纳费米子的方向。

“物理学其实非常有意思, 不断寻找解决问题的方法,”王康隆说。“2003 年, 我在UCLA 成立了一个研究中心, 叫FENA ( F u n c t i o n a l E n g i n e e r e d N a n o Architectonics FocusCenter), 在2005 年后,资助了张首晟教授‘量子自旋霍尔效应’的研究。我当时的这一研究计划和资金分配直接导致了2008 年末拓扑绝缘体的诞生。值得一提的是,宾州大学的Charles Kane 教授2004 年首次在石墨烯上提出了这一概念。在2008 年, Charles Kane 教授和傅亮提出利用拓扑绝缘体和超导体耦合来研究马约拉纳费米子。他们提出这一概念以后,很多相关的理论工作陆续推出,并在这一基础上改良。”

好意加局外人署名 不料事情变复杂

王康隆说,做相关研究的人很多,大家都在努力,希望首先做出新突破。而张首晟教授在2015 年发表相关论文,是对Charles Kane 教授的理论的一个改良。

他说:“我们团队也研究了张教授这一理论文章。虽然张教授并未参与我们长达13年的科研工作, 不过我的学生为了表达谢意,征求我的意见,可否在论文上加上张教授的署名时,我同意了。没想到一件很简单、很简单的事情,到现在被弄得好复杂。”

“我不可能一个人进行这项研究,”王康隆说“我的学生们和我一起工作,还有许多外围协助者在帮助。我们不可能有全部试验设备, 他们提供实验室给我们。比如,加州大学戴维斯分校的刘凯教授帮我们沉积了超导体薄膜。”

据他介绍,为了测量,他们在4、5 年的时间里,几乎每两个月都跑一趟佛罗里达州,因为那里有高磁场实验室,可以对马约拉纳费米子样品进行测试。

他说:“一般一呆两个星期左右,大家经常没有觉睡,很辛苦。后来发现,我们发现加州大学尔湾分校的夏晶教授也有一台同样功能的仪器,于是我们得到夏教授的同意之后,我的学生何庆林和潘磊前往夏教授实验室进行实验测试。夏教授很好,安排他的学生进行帮助。”

王康隆说:“研究进行到2014 年,取得了成果。2015 年,我们花了大约1 年的时间写报告,年底写完,寄去《科学》杂志,《科学》杂志社编辑请专家审核,提出了4 页问题进行探讨,我们于是写了30 页的回复,主要是我和学生所写。然后,他们再提出问题,我们再回复,如此反复4 次之后,终于定稿。”

他接着说:“大约到2016 年6 月,报告基本定稿,也是这个时候, 张教授开始介入。不过,很奇怪的是,在2017 年4 月,张教授发电子邮件给我,表示要做‘通讯作者’ (corresponding author)。”

王康隆介绍说,科学论文的署名有其特定规则,一般指导老师名字放在最后,学生放在前面,这是指导老师对自己学生未来发展的一种支持。论文基本是由最前、最后的人共同完成。至于中间的署名,一般不太重要,而“通讯作者”非常重要。虽然张教授并未实际参与研究,但是王教授还是同意了张教授的要求,把他的名字加入到“通讯作者”中。“其实,一般论文不会有那么多‘通讯作者’,”王康隆说。

把研究成果用于量子计算机 目前仍太遥远

这就是马约拉纳费米子研究的大致经过。至于为什么马约拉纳费米子变成了“天使粒子”,媒体有各种宣传。

王康隆称,他并未真正面对过媒体,也不想那样,研究还在继续,还有很多事情要做。

至于说,把这个研究成果运用于量子计算机,王康隆认为,那是“太遥远的事情了”。他说:“我们只是朝着一个方向在走。科学就是这样,一代一代人朝着一个方向曲曲折折地走,有的可能取得突破性进展,有的可能什么都没有。不过,无论个人有还是没有,要靠许多人,一代一代的积累,才使得科学朝着既定的方向不断前进。”

 

采访张首晟教授 :“天使粒子”背后另一种风景

于丽娜

全球IT业的心脏就孕育在斯坦福的校园中,而步出斯坦福几步之遥就是著名的斯坦福大学街(University Ave)。这里是帕洛阿图(Palo Alto)最热闹大街,有很多咖啡馆和餐馆。许多硅谷的社交生活都发生在这里。

访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事

张首晟在办公室里接受专访。

访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事

“丹华资本”办公室前台。于丽娜摄

你很可能在咖啡馆里遇到社交网站脸书(Facebook)的创始人马克·扎克伯格,或是在餐厅里遇到特斯拉汽车创始人伊隆·马斯克(ElonMusk),但遇到更多的也许是斯坦福的学者、教授亦或是创业者、投资人。浓厚的学术氛围和世界前沿的高科技技术创新多种因素,使得这里成为很多游客的朝圣之地。

与这条街相交的塔索街(Tasso Street)435 号 ,一座低矮的红色建筑,坐拥斯坦福大街圣殿般神圣美感的迷人风景。最近,这里受到了媒体广泛关注,因为斯坦福大学华人科学家张首晟及其他3 位华人科学家领衔的科研团队发现了正反同体的“天使粒子”—— 马约拉纳费米子(Majorana fermion),使得物理学出现了历史性的突破。这一重大发现解决了困扰量子物理学80 年的难题,对量子计算具有极其重要的意义。

里程碑式发现使量子计算成为可能

访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事

中间黄圈即神秘的马约拉纳费米子。

科学界一直在寻找费米子中是否存在马约拉纳所称的神秘粒子,直到80 年后,“天使粒子”(即Majorana 费米子)被发现。这是继发现“上帝”粒子(希格斯波色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑式的成果,不仅具有重大的理论意义,而且具有重要的潜在应用价值——让量子计算成为现实。

张首晟说:“这是一个物理学界激动人心的时刻 ,就像我们的生活好像存在着的对立面,有阴有阳,有天使有魔鬼。在80 年前, 物理学家提出关于正反粒子的大胆设想使得人类一直在寻找。在2010 到2015 年期间,我与团队连续发表3 篇论文,精准预言了在哪里能够找到Majorana 费米子,继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。”

说到“神秘粒子”,还要从1928 年物理学家保罗.迪拉克(Paul Dirac)的那个惊人预测说起,他认为宇宙的每个基本粒子,都有一个相对的反粒子,就像是一对双胞胎,但是带着正负能量。当它们相遇时会相互烟灭,释放出一股能量。几年后,物理学家确实发现了反物质, 即和电子相对的正电子(positron)。

到了1937年,物理学家埃托雷· 马约拉纳(Ettore Majorana) 做出了更大胆的假设。他认为,费米子(fermions)粒子,即质子、中子、电子、中微子和夸克等,本身即存在反粒子,也就是说它们没有一个相对的反粒子,它们自身就是自己的反粒子。这致使80 年来科学界一直在寻找费米子中是否存在马约拉纳所称的神秘粒子。

7 月21 日,在全世界最权威的学术期刊之一《科学》上,一篇论文宣布,研究者发现了马约拉纳费米子存在的第一个证据。

张首晟介绍说:“按照我们的理论建议,加州大学洛杉矶分校(由王康隆教授领衔)、加州大学戴维斯分校(由刘恺教授主持)和加州大学尔湾分校(由夏晶教授主持) 的实验家团队与我们斯坦福大学理论团队密切合作,在理论建议的器件中发现了手性马约拉纳费米子。之所以命名‘天使粒子’,这来源于我读过的一本小说《天使与恶魔》,这部作品描述了正反粒子湮灭爆炸的场景,我被这个想法所吸引进而一直在寻找。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界。”

谈到该发现是否会很快进入到应用时,张首晟说:“不一定很快会应用,但是给了我们一个非常好的愿景,现在我们人类解决的问题需要优化很多选择路径,通常上计算机只能用程序法一个一个试下来,而这个新发现可以使有效的量子计算成为可能。”

丹华资本帮中国企业提升创新能力

作为华人科学家,张首晟始终心念故国。2009 年,张首晟入选 “千人计划”,并被清华大学特聘为教授,一直为祖籍国效力。他的言谈间,很自然地提到“我们国家、我们民族”这样的词。正因为如此, 2013 年,张首晟和他的学生谷安佳博士共同创办了“丹华资本”。

“丹华”两字有很深的含义。张首晟说:“‘丹华’之名就来自于——‘丹’(斯坦福,又译作史丹佛)和‘华’(中国)和组合, 意味着连接中美资源这个愿景。”

张首晟不仅仅把“丹华资本” 定位为一支优秀的风险投资基金, 更是为了搭建一个资本和服务的平台,以帮助中国企业集体提升创新能力和产业升级。在谈到如何可以一边做科研、一边做投资这个问题时,张首晟说:“将两个看起来平常好像不相关的内容统一起来,也是我认为最高的一种境界。比如说我研究的是拓扑绝缘体,就是把高深的数学概念和一个非常现实的材料学概念统一起来,这让我感觉是人生的最大乐趣。中国现在是一个非常激动人心的时代,我们已经走出了从生产为主,现在进入创新为主,国家政府也提出双创的概念,但是在这个核心中最主要的是看准一个方面,到底从哪个方向走,在这个双创的时代,我用我的经验、用科学的精神来做投资也会给科学带来荣耀。‘丹华资本’在短短3年内发展到今天的规模,在整个硅谷投资历史上也是创了纪录。”

深受恩师影响 探寻过程中充满乐趣和好奇心

对于张首晟的成就,其导师杨振宁曾说:“他获得诺贝尔奖只是时间问题。”其实,早在几年前,张首晟就已经被视为诺贝尔物理学奖获得者的热门人选。尽管最后与之失之交臂,但是诺贝尔奖得主杨振宁坚信,他的这位爱徒会是下一个诺贝尔物理学奖的获得者。

在2015年美国国家科学院公布的新增院士名单中,张首晟成为当选的7 位华裔之一。同时,他也是美国人文与科学院(又译为美国艺术与科学院)和中国科学院的院士。因为对拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应的开创性研究,这位斯坦福最年轻的终身教授还和科学巨匠爱因斯坦、居里夫人、爱迪生等一样获得了富兰克林奖章。

迄今为止,张首晟已经拿到诺贝尔奖之外的几乎全部物理学奖。谈到对诺奖的期待时,张首盛说:“诺贝尔奖是可遇不可求的,它表彰在物理学作出最杰出的贡献的人士,同时在评选中也有很严格的筛选,爱因斯坦等了18 年才获得诺奖。对于我来说,从事物理学研究, 诺奖并不是我的终极目标,我认为当我怀着好奇的心去探寻未知事物时,就好像经历一场冒险,在这个探险过程充满着乐趣,这也是我对科学追求最大的驱动力。”

今年4 月,张首晟曾回国去探望恩师杨振宁。他在微信朋友圈里上传了一张和杨振宁教授的合影, 他写道:“今天在清华园看望杨振宁先生,老人家今年95 岁大寿,神采奕奕谈笑如生!师生情谊地久天长!”

这番肺腑之言表达了张首晟对这份师生情谊的珍惜。他说:“杨振宁对我影响非常大,当年他的一课堂给我印象深刻。他讲了科学里关于‘美’的看法,让我感觉到科学不仅是追求‘真’的过程,而且具有探寻‘美’的意境。在我们人生的路上会遇到很多选择,最终选择一些美丽的思想去探索,这也是杨振宁所给予我的启发。从此以后我在科学探险的路上,使我始终追求这种最高境界的美。”

尽管在外人看来,张首晟的经历可谓“顺风顺水”。但是,谈到在德国求学的时光时,他也有过一段迷惘的心路历程,他说:“1981 年在德国留学,当时非常地困惑, 重要的问题是考虑未来就业的问题,感觉找不到人生的出路。当我环游德国到了哥廷根时,当时的同学带我去学校旁边的一片墓地,那些伟大的物理学家和数学家就埋葬于此。他们的墓碑简单而平凡,上面刻着他们的名字、出生年月。但是,与众不同的是,他们的墓碑上面都有一个公式,这给我留下了深刻的印象,可以说他们一生的最高成都浓缩在这个公式里。这使得我心灵受到震撼,人要追求永生不需要多少功名利禄,一个简单的公式,它却可能永远改变了人类文明进程,并被人们永远记住。”

记者曾经在斯坦福里听过张首晟的一次讲座,他谈到“大道至简”, 说爱因斯坦质能方程E = mc2 小到微观粒子、大到宏观宇宙都适用。

张首晟说:“是的,这是一个非常简单的公式,又是一个大道理, 事实上我认为不论是科学的境界, 还是艺术和文学这些都是相通的。就像我们写一首诗是为了用非常简单的语言写一个非常复杂的心情,比如‘举头望明月,低头思故乡’, 简单的几句话,表现对故乡的一种思念,所以说人类最伟大的发现和人类的文明都是有一个共性,在这一点上我们国家、我们民族的祖先早就已经认识到的一点。”

访谈王康隆、张首晟:发现“天使粒子“里程碑成就背后的故事

张首晟说,他打算写书分享他的理念、观点和经验。于丽娜摄

得益人文教育 乐于分享科研投资理念和经验

如今的张首晟,身份远远不止科学家、投资家,还是企业家、教育家...... 未来他还会有一个身份:作家。

张首晟说:“我非常享受当下的生活,甚至简直不可思议,为什么人生可以有那么美满?在教育方面,可谓是‘桃里满天下’,美国所有名牌大学都有我的学生。在家庭方面,我的两个孩子也非常优秀。不论是在科学研究的探险道路上的冒险,还是在做企业、做投资上的经验,我都希望可以分享给大家。学习是一件终生不止的事情,用好奇心成为学习的动力你会享受这些过程。就像在我小的时候,经常在自己家里的阁楼上面读书,都是一些关于欧洲哲学史、欧洲艺术史之类的书籍。虽然我的父亲是学工程专业的,但是我的伯父们都是学习人文的,而他们留下的书都是关于哲学、艺术、美术之类的,所以我的启蒙教育反而是在人文科学方面。其实直到现在,我还是对这些人文的东西非常感兴趣。所以,未来在我的这本书里,我将分享我的理念和观点和经验等等,或许可以使更多的人从中得到启发。”

在“2016 年度华人经济人物” 盛典获奖后,张首晟在朋友圈写下了一段留言:

“一个伟大的时代要有伟大的跨界,文艺复兴造就了达芬奇艺术与科学的跨界,启蒙时代创造了法兰克林科学与企业与治国的跨界,用科学指导投资的跨界是我们时代的召唤,愿中华民族的伟大复兴也造就文艺的复兴,科学的复兴—— 张首晟!”

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