张首晟,5个公式的人生


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文章来源:钛媒体;作者:新浪科技

图片来源:视觉中国

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张首晟对公式有着异乎寻常的热爱和执着,他年青的时候曾经去过德国一个叫哥廷根的大学城,除了欣赏那里的名胜古迹之外,也去参观了当地的墓地。这个小小的城市里有很多伟大科学家在那里工作过,也有许多著名的物理学家都长眠于此。

到了墓地之后张首晟被眼前的景象震撼了,每个人的墓碑上,都镌刻着他们生前发现的一道公式,如海森堡的墓志铭是举世闻名的“测不准原理”,奥托·哈恩的墓碑上是一道核反应公式,波恩是对波函数概率的一个分析……

这些都是物理黄金时代的顶尖人物呵,每个人生前在自己的领域内都叱咤风云,但不管他们曾经如何与众不同,只需要一个简简单单公式,就可以总结他们辉煌的人生。

因为镌刻在这些墓碑上的公式,任何一个都可与日月同辉。

是的,万物速朽,唯有公式永恒!

这些由数字、字母、符号组成的公式激发了张首晟内心对理论物理学研究的热爱,这个时候,他感觉到什么叫做世界因你而美丽。

以下5个公式组成的世界,正是张首晟经历的人生。

一、灵魂深处的“杨-米尔斯方程”

张首晟,5个公式的人生


张首晟就是标准的父母口中“别人家的孩子”。14岁,初中还没毕业的他收到父亲给的一套数理化自学丛书,张首晟花了一个暑假时间学习,抱着“试一试”的心态,考上复旦大学。

16岁时,国家开始公派他出国,20岁投到杨振宁的门下,攻读物理学博士学位。1989年,他在完成博士后研究后,杨振宁先生建议他将研究凝聚态物理作为研究的方向,这个方向,正是张首晟一生成就的起点。

凝聚态物理的研究方向,也是杨振宁先生“杨-米尔斯方程”统治的领地。这是一个非常伟大的公式,也是铭刻在张首晟先生灵魂深处的方程,以“杨-米尔斯方程”为基石的“规范场论”是描述亚原子世界的最成功的物理框架,不论在计算能力还是在概念覆盖范围上都是无与伦比的。它对电子跟光子之间相互作用的预计精确到10⁸分之一,目前没有从标准模型中推导不出的已知实验。

也就是说,如果没有特别变态的粒子出现,“规范场论”就是粒子物理的基石。

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从某种意义上讲,这一决定让张首晟没有走太多弯路,张首晟在杨-米尔斯方程方程的构架体系里,完成了一个又一个人生的突破。

2006年,张首晟领导的研究团队提出“量子自旋霍尔效应”,将其基于芯片业未来提出的新构想在理论上完成了预言。

2007年,这一理论预言被德国维尔茨堡大学实验小组通过实验证实。这让张首晟成为全球首个提出拓扑绝缘体“的物理学者。

张首晟多年被汤森路透预测会得到诺贝尔奖,杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”,“杨-米尔斯方程”是人生的灯塔。

二、最大的对手“狄拉克公式”

张首晟,5个公式的人生


张首晟一生最大的对手,是让他魂牵梦萦的“狄拉克公式”。

1928年,伟大理论物理学家狄拉克从他的“狄拉克公式”里预言,世界上每一个粒子必然有反粒子存在,他非常自信地说,我的公式非常美丽,你们努力去找吧。如同我们的宏观世界有两边对立,有粒子必然有反粒子,就像有天使必然有魔鬼一样。

1937年,物理天才马约拉纳(Ettore Majorana)挑战狄拉克提出的“宇宙中粒子必有其反粒子的理论,他猜想有这样一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子?后来,Majorana本人神秘消失,但从那开始,寻找这一颗神奇粒子也就成为物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

从2010年开始,张首晟就开始与“狄拉克公式”较劲,希望能破解狄拉克的魔咒,找到Majorana费米子。

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整整七年,张首晟和他的团队一直在探索这个世界。2017年,张首晟宣布发现“天使粒子”,这是继“上帝”粒子、中微子、引力子之后量子物理的又一里程碑发现。张首晟将这个神秘粒子命名为“天使粒子”,他认为“天使粒子”是一个完美的世界,只有天使,没有魔鬼。

至此,在物理学界,科学家苦苦追寻了80年的“Majorana费米子”被发现,五大神秘粒子的表单可以再减少一个,而量子物理世界将因为此发现产生根本性的变化。不仅如此,古典哲学所建立的“正反对立的世界”:有阴必有阳,有天使必有恶魔”的世界观将不复存在。

只是让人没有想到的是,他找到“上帝粒子”后这么快就离开了这个世界。

三、最心仪的“质能方程”

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用一个公式概括整个世界,一直是张首晟一生的梦想。

当年在柏林自由大学学习时,张首晟一直将大统一理论当成自己的学术目标,这是爱因斯坦努力一生的事业。

张首晟曾经说过,千年思想,最精华的都是大道至简。你看宇宙美妙在哪儿?E=mc²这样一个公式,能够描写小到原子,大到宇宙的世界。

1905年,爱因斯坦用三纸论文写下了著名的E=mc²,光速的平方紧紧地将能量与质量联系了起来,能量和质量开始合为一个整体——“质能”。

一眼看去,E=mc²这个公式实在太过朴实,但就像大智者往往若愚,简洁无华的它其实也是深藏不露的。毫不夸张地说,它彻底打破了我们以往的认知。

在E=mc²中,E为能量,单位是焦耳(J);M为质量,单位是千克(Kg);C为真空中的光速(m/s),c=299792458m/s。整体表述为:能量等于质量乘以光速的平方。

这个等式意味着,能量和质量其实是相互联系、不可分割的。质量是内敛的能量,能量是外显的质量,这是史无前例的一个创新。

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张首晟一生反复谈到过这个公式,它大道化简地统一了物质和运动,用一个E=mc²把在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合了起来,成了统一的“质能守恒定律”。质量就是能量,能量就是质量,就像在浩渺的宇宙中,时间就是空间,空间就是时间。

当能够用一个简单的公式,描写小小的原子到整个宏伟宇宙的时候,在张首晟的世界,这个空间无与伦比地美丽。

四、最信任的“椭圆曲线方程”

张首晟,5个公式的人生


在所有知名科学家中,只有张首晟对区块链表达出了他的强烈兴趣。

不管外界如何看待,区块链是他人生很重要的一个标签。

张首晟曾经说过我要用一句话来描写这个伟大时代,就是「 In Math We Trust 」。

在他的眼中,区块链肯定不仅仅是炒币,他认为这个世界能够达成共识的不是经济学,不是法律学,不是政治学,不是化学,不是生物,甚至也不是物理,最容易达到共识的是数学。

在他的眼中,区块链是数学,用数学作为信任的机制,是最自然的做法。而区块链世界的公钥和私钥的组合,就是建立在数论上面,而且是建立在更高层的数论上面,即椭圆曲线方程。

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这是一个看起来很简单的数学方程,但它却是证明费马大定理的关键,也是区块链的基石。

区块链世界最底层的构架是数学,这才是张首晟最看好的。

以比特币为例,两大基石保证了比特币在数学上的合法性。一个是ECC椭圆曲线方程,它是比特币钱包的生成方法。一个是SHA256安全散列算法,它是获得数学资产的方法。ECC椭圆曲线方程保证了资产的安全性。SHA256安全散列算法保证了获取资产的合法性。

张首晟可能有他们自己的标准:他并不在乎区块链引发的争议,他想要的是数学上的合法性。他信任的不是人类,而是公式。

五、情有独钟的“熵+”

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张首晟说,对信息的认识,正是人类对大自然最重要的认识。

而在他看来,这个描写和衡量了信息的公式,正是熵的公式:S=-p log p。这个公式并不如E=mc²那样众人皆知,但众人无时无刻不可避免地参与其中。

张首晟曾经引用爱因斯坦的话,来表达他对熵+定律的看法:人类的知识再往前推进,牛顿力学可能不对,量子力学可能不对,相对论可能也不对,但信息熵的公式是永恒的。

那么熵+是什么?

1854年,一位叫克劳修斯的德国物理学家,首次提出了“熵”的概念。克劳修斯认为“在孤立的系统内,分子的热运动总是会从原来集中、有序的的排列状态逐渐趋向分散、混乱的无序状态,系统从有序向无序的自发过程中,熵总是增加”。

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有人说熵+是最绝望的公式。也有人说,因为熵增的存在,宇宙的目的就像一场精心策划、情节波澜壮阔的自杀。无论你是谁,就算庞大如宇宙,最终都会走向“寂灭”。

张首晟一生钟情于熵+这个公式,并认为它是宇宙无可争议的真理,这与他的抑郁症是不是有某种命运的连接呢?总有一天,无序会到达顶点,不会再有生命和意识,无论是脆弱的人类、还是宏大的宇宙,都将走向死亡。

或许这是一个悲剧,但正如每个悲剧里都有一位英雄,他以他的天才探寻这个世界,他追求真理,追求大道,即使这一切终是悲剧,也在所不辞。

结语:万物速朽,唯有公式永恒

张首晟曾说,如果世界末日来临,他会带这些公式登上诺亚方舟。如今,当他去往天国,或许也会捎上这些公式。

从14岁开始自学数理,到55岁的骤然离去,在这短暂的四十年中,他眼中的世界,因这些公式散发出无与伦比的美丽。

张首晟的一生,一直在追求一个万物理论,他曾说:“我差点要离开理论物理,后来想到这个梦想之后就没有离开了。”然而这一梦想还未实现,他却永远地离开了。

失去这样一位人类骄子,我们也不必过于悲伤。在他的数理世界里,生命也许并非最高存在,他更在意的是以下四句话:

万物速朽,唯有公式永恒

人间虚妄,数学是唯一真实

存在即数,0和1统治一切

大道至简,数是最美的语言

(注:本文所有观点仅代表作者本人,均不代表凤凰网国际智库立场)

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