神秘宇宙的探尋者

文丨■秋 瑟

2018年12月1日，美國華裔物理學家、斯坦福大學物理系、電子工程系和應用物理系終身教授、美國科學院院士、中科院外籍院士張首晟離世，享年55歲。

1963年出生于上海的張首晟，多年來，一直在拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應、自旋電子學、高溫超導等領域做研究，2007年，張首晟發現的“量子自旋霍爾效應”被《科學》雜志評為當年的“全球十大重要科學突破”之一。2017年，張首晟及其團隊發現了手性馬約拉納費米子，使得有效的量子計算成為可能。

張首晟先后獲得了物理界重量級獎項，包括歐洲物理獎、美國物理學會巴克萊獎、國際理論物理學中心狄拉克獎、尤里基礎物理學獎等，更是2017年度中華人民共和國國際科學技術合作獎獲得者。

曾發現“天使粒子”

1980年，年僅17歲的張首晟前往德國柏林自由大學學習，專業為理論物理，“用一個公式概括整個世界”成為張首晟的夢想。

通過努力，1996年，年僅33歲的張首晟就被評為斯坦福大學終身教授。隨后，憑借拓撲絕緣體和量子自旋霍爾效應兩項理論的發現，張首晟于2010年獲得歐洲物理獎；2012年獲得美國奧利弗巴克利獎和狄拉克獎；2014年獲得美國富蘭克林獎。此外，張首晟榮獲“2016年度華人經濟人物”殊榮。

2017年7月21日，張首晟及其團隊在《科學》雜志上發表了一項重大發現：在整個物理學界歷經80年的探索之后，他們終于發現了手性馬約拉納費米子的存在，并將其命名為“天使粒子”，為物理界的發展做出了重要貢獻。

“天 使粒子”，即手性馬約拉納費米子，是物理學家埃托雷·馬約拉納在1937年提出的，埃托雷·馬約拉納發表論文假想這種粒子存在，因此而命名。

埃托雷?馬約拉納一生只發表了三篇論文，且在文章泄露馬約拉納費米子“天機”之后不久，就從此銷聲匿跡了。因此相較其他粒子而言，馬約拉納費米子顯得更加神秘，自從1937年埃托雷·馬約拉納做出以上猜測開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

手性馬約拉納費米子得以被發現，源于來自張首晟的理論團隊和加州大學洛杉磯分校和UC Irvine的兩個實驗團隊通力協作七年得來的成果。

七年前，張首晟的團隊開始系統的提出實驗方案，在2010到2015年期間，張首晟與其團隊連續發表三篇論文，精準預言了在哪里能夠找到手性馬約拉納費米子，繼而指出哪些實驗信號能夠作為鐵證如山的證據。

此前，不少科學家的推測，在粒子物理中，標準模型范疇之外的中微子可能是手性馬約拉納費米子；這一猜測有可能被無中微子的beta雙衰變實驗所驗證。

遺憾的是，這項實驗所要求的精度在今后的10年到20年以內都難以達到。而在凝聚態物理中，手性馬約拉納費米子有可能作為某些新奇量子基態上的準粒子或元激發而存在。

張首晟及其團隊預言，手性馬約拉納費米子存在于一種由量子反常霍爾效應薄膜和普通超導體薄膜組成的混合器件中，并做出相關實驗以驗證。

在以往的量子反常霍爾效應實驗中，隨著調節外磁場，反常量子霍爾效應薄膜呈現出量子平臺，對應著1，0，-1倍基本電阻單位e2/h。張首晟及其團隊選擇把普通超導體置于反常量子霍爾效應薄膜之上，臨近效應使之能夠實現手性馬約拉納費米子，相應的實驗中會多出全新的量子平臺，對應 1/2 倍基本電阻單位e2/h。這半個基本電阻來源于手性馬約拉納費米子沒有反粒子，因此某種意義上它可以視為半個傳統粒子。所以，這多出來的半整數量子平臺就提供了有力的證據，證明在時空中傳播的手性馬約拉納費米子的存在。

根據這一理論預言，來自UCLA和UC Irvine的兩個實驗團隊對該理論十分贊同，并與張首晟的理論團隊緊密合作，最終探測到了張首晟團隊預言的半整數量子平臺，在張首晟團隊所提出的器件中實驗上發現了手性馬約拉納費米子。隨后的強磁場實驗與三端電阻測量進而有力的排除了其他可能的實驗噪聲與假象。

2017年，這一重大發現已發表在這一期的科學雜志上。

七年的研究終于畫上了圓滿的句號。上帝粒子被發現花費了六十多年，引力波被發現耗時一百年，而張首晟及其團隊在提出實驗模型七年后便驗證了實驗結果，對此，張首晟曾表示自己非常幸運。

專家表示，手性馬約拉納費米子被發現，將從哲學層面對挑戰人類對現有世界的認知，即世界不完全是正反對立的，有陰不一定有陽，有天使不一定有魔鬼。除此之外，這一發現還具有更加現實的意義——在固體中實現拓撲量子計算將成為可能。

張首晟曾說，“天使粒子”的發現“非常非常神奇，這意味著一個量子比特可以拆成兩個，對整個量子物理有根本的改變”。

據悉，張首晟團隊所提出的器件同時還是二維體系，從而允許手性馬約拉納費米子的糾纏和編辮，使得有效的量子計算成為可能。

從基本科學發現到技術應用往往需要多年時間，但是張首晟曾對于這“天使粒子”巡游的量子天堂充滿了興奮與期待：“拓撲量子計算能夠解決當下人類面對最艱難的一些問題，從而迎來一個完美世界。”

天使粒子已被發現，對萬能理論的探索卻遠未終結。接下來，除了推動國內量子計算的發展外，張首晟的下一個目標是發現磁單極，同列神秘粒子表單的磁單極至今未被人類發現，留給人類的宇宙之謎還有很多。

然而，深受病魔折磨的張首晟已經看不到“天使粒子”應用到技術那一天，但是，張首晟明白，宇宙的謎團會被一個一個解開，但人類尋美而求真的沖動卻不會改變，正是這股好奇心驅動著人類不斷去探索宇宙的真相。

生前主投區塊鏈、金融科技

除了科學家身份以外，張首晟也是一名投資人，他于2013年創立了丹華投資，專注于投資最具顛覆性的創新科技和商業模式，并搭建起斯坦福、硅谷和中國的橋梁。

2013年，張首晟與自己的學生谷安佳博士聯合創立丹華資本。據已公開的數據顯示，丹華資本對外投資113個項目，包括區塊鏈、企業級應用與金融科技等領域。

據了解，丹華資本一期基金融資9200萬美元，投資項目主要集中在大數據、移動互聯網、虛擬現實/增強現實、人工智能等領域的中早期創業公司。丹華資本通過兩支基金總共募集4.345億美元資金。

當前，丹華資本官網投資項目顯示，基金共投出消費與金融科技項目18個；區塊鏈項目42個；大數據項目24個；生命科學項目16個。投中網數據顯示，丹華資本在區塊鏈技術、區塊鏈應用和數字貨幣領域共計投資事件金額達到約1.88億元。

跨界風投創業5年來，張首晟始終堅信，科學和金融是相通的。“有些科學家比較牛，主要就是眼光準確，那么多可以選的題目中如何選對題目并朝這個方向走下去，從而開辟一片新天地，這個是關鍵的。而投資也是同樣的道理，所以需要把兩者之間打通。”

在丹華資本的團隊中，張首晟是斯坦福的三系教授，還有創始合伙人谷安佳和來自斯坦福本科的畢業生，有著完善的投資發掘渠道。當然，張首晟在學術界的聲望和地位，是吸引諸多學生創業項目的重要基礎。

雖然在資源連接方面有著自己的優勢，但丹華資本的最大特色還是張首晟怎樣用科學思維方式做投資。

張首晟曾表示，“物理學里面有個很大的分支是統計力學，主要研究的就是概率和統計；現在討論大數據，很多基本的算法都來自于物理學獎。現在大熱的機器學習技術，幾乎所有以人名命名的算法都來自于物理學獎”。

據了解，張首晟曾多次在公開活動或發言中表示看好區塊鏈技術。今年6月，張首晟撰文陳稱，“今天出現的區塊鏈技術，也會導致新的時代。這個時代的革命強度可能是互聯網革命的十倍、百倍。互聯網時代只是信息交換的時代，而區塊鏈時代有了價值的交換，我們可以產生數據的市場，每個人擁有自己的數據，然后在交換的過程中產生新的價值”。

張首晟認為，區塊鏈是互聯網的十倍甚至一百倍，“所謂的泡沫現在很多項目都是完全泡沫，可能帶領大家一個比較好的路線，一個項目不要馬上ICO面向大眾，通過一個著名的VC來做投資，有一個判斷能力。”

如今，張首晟聯合創下的丹華投資已初見成效，他所預言的區塊鏈時代也正在向我們走來。