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发帖数: 12367 | 1 【 以下文字转载自 Physics 讨论区 】
发信人: saturnV (土星五号), 信区: Physics
标 题: 张首晟：科学品位的传承
发信站: BBS 未名空间站 (Thu Jun 27 04:14:04 2013, 美东)
张首晟
在数学的美中找到物理的规律
1983年，我获得德国柏林自由大学的本科学位，相当于美国的硕士学位，然后就去
了美国纽约州立大学石溪分校，在杨振宁先生那里攻读博士学位。
我考大学时选的专业是物理，在德国学的也是物理，这主要是受到杨振宁、李政道
获诺贝尔奖的影响，我觉得他们不仅在科学上作出了重大贡献，更可贵的是为中华民族
带来了自豪感。另外我也比较喜欢数学，但是又想真正看到现实世界里的自然规律，所
以我觉得物理是最美妙的一门学问。
在当时的我看来，学物理就是要追求最高的梦想，即爱因斯坦的梦想——把宇宙中
的4种力统一起来，就是所谓的大统一理论。杨振宁先生在这方面也做了非常杰出的工
作，他和R.L.米尔斯在1954年提出的杨-米尔斯理论（Yang-Mills Theory，又称规范场
理论）是研究自然界4种相互作用力（电磁力、弱相互作用力、强相互作用力、引力）
的基本理论。
我非常向往这个目标，也想投身于这个方向，但后来在跟杨先生的交流中我体会到
，物理的美在不同的方向都有，不一定要去大统一理论中找，而且这个方向的攻关是非
常艰难的，连爱因斯坦花20年也不能解决，这个说不定要等到一定的时候，时机成熟了
再来做。
后来也是由于杨先生的介绍，我进入了凝聚态物理领域。但我把爱因斯坦和杨先生
的这种理念深深地接受了下来，就是要在数学的美中找到物理的规律。和别的同事相比
，可能他们的技巧比我更好，但是，我从杨先生那里学到了科学的品位。科学有不同的
研究方向你可以追求，但为什么选一个特定的方向，为什么这个方向就会带来不错的结
果，这是一门非常了不起的学问。
科学的道路不是一帆风顺的，我们作为科学家，其实差不多90%的时间都是在“碰
壁”，找了一些方向，做到一定时候就做不下去了，或者是做出一点成就，也不过只是
写篇文章，但引不来一个大的领域的发展。科学家人生的绝大部分时间，的确是在“碰
壁”的路上。但即使是在“碰壁”过程中，我们还是有一些小的成果，也许别人不那么
欣赏，但我们自己觉得非常美妙。就是在这些美妙结果的堆积中，使得我们有足够的信
心继续再往下走，最终，有些人如果幸运的话，会找到重大的科学发现。
最近，我们关于拓扑绝缘体的工作，是一系列非常成功的工作，也受到国际上很大
的奖励。在过去五六十年，计算机芯片的升级一直是飞速发展，每过18个月计算能力就
翻1倍，但是现在碰到了很大的瓶颈。我们从理论上，从数学结构的美中找到了一个新
的原理——量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect）。在拓扑绝缘体这种材料
中，电子能够像高速公路一样各行其道互不干扰地运动，这是一个很大的发现，解决了
这个瓶颈。
做科学的最高境界是在理论上能够预言出一个新的现象或者一种新的材料，我们这
次是预言了一种新的材料，并且在实验中也找到了，这标志着人类对材料科学的研究达
到了一个新的层次。
其实人类的发展和材料的发展是密切相关的。人类早期的重大时代都是用材料命名
的，旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代。到了工业革命时代，人类使用
的材料又从铁变成了钢铁，但是所有这些材料几乎都是偶然发现的，都是通过很繁琐的
实验发现的。我们这次比较成功的是在理论上预言了拓扑绝缘体这种材料的存在，在这
种材料里，电子的运动方式完全改变了，其实际意义就是使得摩尔定律（Moore’s Law
）能够继续推广下去，未来在信息革命方面会有比较大的应用。
在科学家的墓地里领会人生的境界
我1963年出生于上海，那是一个动荡的时期，是一个读书无用的时期，没有正常的
学校，也不主张读书，在社会上很少能找到书本。但我从小就对科学和知识很有兴趣，
我对学校里的情形很反感，就想自己造出一个小天地来，我经常避在小阁楼上看书。以
前我伯父和父亲都有很多书，所以一开始我就看了西方哲学史和艺术史方面的书。
我很幸运，刚初中毕业，国家就恢复了高考，当时有很多“老三届”的考生，年轻
的也允许考，所以我没读过高中就考上了复旦大学，15岁就成为少年大学生进入了复旦
大学。当时国家已经做好准备要把高考成绩比较优秀的学生送到国外去，我在复旦读了
1个学期，1980年去了德国，本科大部分的时间是在德国的柏林自由大学。
我现在回想，能在中国的文化中生长，并且在做学生的过程中，有这样一个机会到
世界各地看看，接受一些西方的文化，这对人生观和人的成长是很有帮助的。
1981年，中国的改革开放还在起步过程中，我们这些在德国的年轻学生，都在思考
自己的人生选择。理论物理是一个很抽象的领域，中国在这方面还没有完全成熟，而且
从今后就职的前景来讲，也非常不容易找到该领域的教师工作。当时高考成绩比较好的
都是学数理化的，但是真正能找到好工作的都是偏工科的。周围的朋友很多都开始转行
，我也在考虑我的人生到底应该做什么样的选择。
1981年夏天，我利用假期周游了整个德国，看了许多美丽的宫殿，把我以前看的书
和学到的故事也都串联了起来。我印象最深的是哥廷根这个城市，这是一个非常了不起
的小城市，历史上有许多伟大的数学家和物理学家都在那里产生，包括高斯、黎曼、希
尔伯特、海森堡、玻恩等等。这也是一个非常美丽的小城，但整个夏天的旅行给我印象
最深的是那里的一个墓地。
我想如果考虑人生的话，到墓地里也许会看得更清楚。这些伟大的数学家和物理学
家们都在那里长眠，他们的墓碑都非常简单，和别人的差不多，但是，在他们墓碑上刻
着一行字，往往是他们的名言或者是总结他们一生的科学发现。比如数学家希尔伯特，
他的墓碑上刻了2行字“我们必须知道，我们必将知道”（Wir muessen wissen Wir
werden wissen）；海森堡的墓碑上刻的是他著名的测不准原理（Uncertainty
principle）；玻恩的墓碑上刻的是他对波函数的统计解释。
这个时候我想，人的一生可能有不同的追求目标，但最终最伟大的境界还是给后人
留下些什么。这些数学家和物理学家们，他们为整个人类贡献了非常有用的理论和见解
，使大家能看到宇宙的美妙，这正是我要追求的人生境界。从此之后，我开始专心研究
理论物理。
在我们最近的工作中，有一张非常漂亮的图片，它是拓扑绝缘体中电子运动的方式
，是它的能量和动量的关系。这张图既表达了科学的发现，同时又表现了科学的美丽，
像一朵花一样，我想这是总结我现在科学工作的最好的一张图，是可以留给后人的一个
成果。
如今的中国正处于转型过程中，做科学工作的人也都会碰到这样的问题。学而优则
仕，古时候大家都在考状元，为的是当官。真正要达到一定的境界，纯粹陶醉于科学之
中，很不容易。但随着整个社会慢慢富裕起来，已经有了基本的生活保障，就会有人追
求这样的境界。这是一个非常高的人生境界，希望有更多年轻人能真正达到这样的境界。
“末日”知识总结法
我1993年开始在斯坦福大学任教，在培养学生方面也很成功。我有1位学生在哈佛
大学做教授，1位学生在普林斯顿大学做教授。我还有很多中国学生，我对他们很满意
。我的第一个中国学生胡江平在普渡大学任教，现已入选国家“千人计划”，回到中国
科学院物理研究所工作；我最自豪的是祁晓亮，他是清华大学的本科生和博士生，来到
斯坦福大学做我的博士后，现在已经成为斯坦福的助理教授；还有吴从军，在加州大学
圣地亚哥分校做副教授；刘朝星，在宾夕法尼亚州立大学做助理教授；汪忠，在清华大
学高等研究院做副研究员……
我很喜欢和学生在一起，从我个人的角度来说，人生有2条曲线，随着年龄的增长
，知识在增长，但创新意识在下降。而年轻人因为什么都不知道，就像一张白纸，可以
画最新最美的图画。所以我经常跟学生们在一起，接受他们创意的感染，而他们可以从
我这里了解到更多的知识，同时了解到怎样培养科学的审美观。
就知识本身而言，中国的学生很刻苦，也很聪明，都很容易学会，但更可贵的是他
为什么要学这个知识，所以个人兴趣的发展很重要。我在带学生的过程中非常注重学生
兴趣的培养。他们做博士论文有很多具体的事情要做，但我们花很长时间跟他交谈，就
是要找到他的兴趣所在。做老师最重要的是怎样找到一个题目，与学生的兴趣正好吻合。
现在大家对科学非常重视，竞争也非常激烈，想在科学里做出成就来非常不容易。
有时我们在研究过程中做了半天发现做不出来，就“碰壁”了；有时会有一个让你非常
兴奋的发现，但后来看看杂志，原来已经有人想到这个了。既要想出新意来，又要做出
成果来，的确很不容易。
但今天的世界有一个史无前例的机会，网络的使用让人类获取知识的过程更为便捷
，我们在维基百科里可以查到几乎所有的知识，而且美国把最好的大学里最好的课程全
部免费在网上提供。我现在如果碰到一个问题想不通的话就干脆先上网学一下，网络课
程跟课堂上的讲解差不多，我把录像录下来之后随时想听的时候就听，它的确是个好老
师。
在这样一个知识膨胀的时代，需要我们有一种永远学习的精神，能够永远有好奇心
；还需要我们有一个比较清晰的眼光，把这些思路理出来。我要教给学生的是，知识有
不同的层次，把最深层次的东西学懂了，别的东西就容易推导出来了。
2012年，我跟学生讲，如果真到了世界末日，你能够带上“诺亚方舟”的知识是非
常少的，你要把整个人类的知识浓缩到1页纸里。你在这页纸上写什么？
我前面讲的墓碑上写的是对一个人的总结，这页纸上要写的是对整个人类的总结。
要是让我总结，我要带的第一个公式就是爱因斯坦的质能方程，它表达了能量和质量、
动量之间的关系。
我通过这样的办法，让学生体会到，一定要有自己的办法让知识有一个很好的组织
和传递，而不仅仅是把知识原样照搬地学来。
科学审美观的传承
对学生来说，现在是一个非常好的做研究的时代，关键是怎么选择。其实最高的才
能不是指你的计算好或实验好，而是要把科学跟艺术统一起来，真正看到科学的品位在
哪儿，那么多可做的题目里你到底选什么样的题目去做。这是最高的境界，也是我要教
给他们的。
我们通常的教育中科学是强调客观的，但如果讲美学观的话，世界是主观的。“情
人眼里出西施”好像是一个很主观的感觉，但来自于科学的美学观是客观与主观的统一
。哥廷根那些墓碑上的公式都是非常简单的，但又是普适性的公式。
就像我们读中国古代的诗歌，几句话就可以描写一种非常错综复杂的情感。“举头
望明月，低头思故乡。”很简单的话，但确实能够体会到一个人心情的复杂。科学其实
也是要追求同样的品位，追求简单性和普适性，就像爱因斯坦的质能方程，这是一个非
常简单的公式，但它可以概括小到原子、大到宇宙的原理，这就是我们追求的目标。
在科学的进程中，有时碰到一些现象，有些人做一些牵强的解释，好像当时也能说
得通，但如果你看了之后感觉没有美感，那你就不要接受它，而是要追求更高的，因为
这样的东西是经不起时间磨炼的。
我觉得这就是大自然美妙的地方，最深刻的原理都是那么简单而美丽。就像写诗，
硬攒出来的和灵感产生出来的，感觉完全不同。我想，灵感是需要培养的，从大师的工
作中可以看出来，读一篇文章，不单单是把它作为知识进行吸收，更要看到这些大师的
灵感之源。
我觉得自己非常幸运，能够跟随杨振宁先生工作和学习一段时间，让我体验到大师
的美学观。我在做学生的时候到杨先生那里，他教给我们一堂课，非常有特色。他是一
位物理学家，他追求的目标是爱因斯坦层次的——宇宙里最深奥的力怎么统一起来？我
原以为听他的课肯定会学到这些东西，但他一点儿都没讲，他没有教当时物理最前沿的
东西，他觉得很多前沿的东西是不够美的。他完全是自由发挥，讲全息照相是什么原理
，这好像跟他的研究也没关系，而且是一个工程性的问题，但他把里面一些最美的思想
讲给我们，他是在培养我们的科学品位。我体验到的就是这样的感受，这给我留下了非
常深刻的印象。
如今，我们能够通过很多途径学到知识，但这样的科学品位还是要在工作中才能慢
慢地感受到。许多人在思考今后的大学能办成什么样，书本上的知识大家都可以看到，
课堂上的讲授大家通过网络也可以看到，但要学到的精髓是什么？我觉得大学要教给学
生的应该就是这些。
我在课堂上给学生讲课的时候，不是简单地教知识本身，而是把整个科学发现的过
程讲出来。很多事情现在我们回过头来看好像很明白，但是当时的科学家们非常困惑。
我们要追求一个非常漂亮的，就像苹果打在牛顿头上那一刻激发出的灵感。人们会觉得
苹果落地和地球绕着太阳转没有什么关系，但是牛顿在这一刻把地上的引力和天上的引
力统一起来了。大科学家的境界就是大艺术家和大师们的境界，我们追求科学的目标一
定要把它作为一个最崇高的目标，这样做可能很难，但不这样就看不到整个科学的普适
性原理。（题图摄影/高海涛） | H******9
发帖数: 8087 | 2 到底是品味啊
【在 w********h 的大作中提到】
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: 张首晟
: 在数学的美中找到物理的规律
: 1983年，我获得德国柏林自由大学的本科学位，相当于美国的硕士学位，然后就去
: 了美国纽约州立大学石溪分校，在杨振宁先生那里攻读博士学位。
: 我考大学时选的专业是物理，在德国学的也是物理，这主要是受到杨振宁、李政道
: 获诺贝尔奖的影响，我觉得他们不仅在科学上作出了重大贡献，更可贵的是为中华民族
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