張首晟:5個公式的人生
2018年12月06日22:39

  萬物速朽,

  唯有公式永恒!

  引子

  公式與日月同輝

  一個樸素墓碑,一個簡單而普適的公式,這才是人生最高境界,這些公式與全人類同在。

  張首晟對公式有著異乎尋常的熱愛和執著,他年青的時候曾經去過德國一個叫哥廷根的大學城,除了欣賞那裡的名勝古蹟之外,也去參觀了當地的墓地。這個小小的城市里有很多偉大科學家在那裡工作過,也有許多著名的物理學家都長眠於此。

  到了墓地之後張首晟被眼前的景象震撼了,每個人的墓碑上,都鐫刻著他們生前發現的一道公式,如海森堡的墓誌銘是舉世聞名的“測不準原理”,奧托·哈恩的墓碑上是一道核反應公式,波恩是對波函數概率的一個分析……

  這些都是物理黃金時代的頂尖人物嗬,每個人生前在自己的領域內都叱吒風雲,但不管他們曾經如何與眾不同,只需要一個簡簡單單公式,就可以總結他們輝煌的人生。

  因為鐫刻在這些墓碑上的公式,任何一個都可與日月同輝。

  是的,萬物速朽,唯有公式永恒!

  這些由數字、字母、符號組成的公式激發了張首晟內心對理論物理學研究的熱愛,這個時候,他感覺到什麼叫做世界因你而美麗。

  以下5個公式組成的世界,正是張首晟經曆的人生。

  01

  靈魂深處的“楊-米爾斯方程”

  張首晟就是標準的父母口中“別人家的孩子”。14歲,初中還沒畢業的他收到父親給的一套數理化自學叢書,張首晟花了一個暑假時間學習,抱著“試一試”的心態,考上複旦大學。

  16歲時,國家開始公派他出國,20歲投到楊振寧的門下,攻讀物理學博士學位。1989年,他在完成博士後研究後,楊振寧先生建議他將研究凝聚態物理作為研究的方向,這個方向,正是張首晟一生成就的起點。

  凝聚態物理的研究方向,也是楊振寧先生“楊-米爾斯方程”統治的領地。這是一個非常偉大的公式,也是銘刻在張首晟先生靈魂深處的方程,以“楊-米爾斯方程”為基石的“規範場論”是描述亞原子世界的最成功的物理框架,不論在計算能力還是在概念覆蓋範圍上都是無與倫比的。它對電子跟光子之間相互作用的預計精確到10⁸分之一,目前沒有從標準模型中推導不出的已知實驗。

  也就是說,如果沒有特別變態的粒子出現,“規範場論”就是粒子物理的基石。

  從某種意義上講,這一決定讓張首晟沒有走太多彎路,張首晟在楊-米爾斯方程方程的構架體系里,完成了一個又一個人生的突破。

  2006年,張首晟領導的研究團隊提出“量子自旋霍爾效應”,將其基於芯片業未來提出的新構想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。這讓張首晟成為全球首個提出拓撲絕緣體“的物理學者。

  張首晟多年被湯森路透預測會得到諾貝爾獎,楊振寧則評價“他獲得諾貝爾獎只是時間問題”,“楊-米爾斯方程”是人生的燈塔。

  02

  最大的對手“狄拉克公式”

  張首晟一生最大的對手,是讓他魂牽夢縈的“狄拉克公式”。

  1928年,偉大理論物理學家狄拉克從他的“狄拉克公式”里預言,世界上每一個粒子必然有反粒子存在,他非常自信地說,我的公式非常美麗,你們努力去找吧。如同我們的宏觀世界有兩邊對立,有粒子必然有反粒子,就像有天使必然有魔鬼一樣。

  1937年,物理天才馬約拉納(Ettore Majorana)挑戰狄拉克提出的“宇宙中粒子必有其反粒子的理論,他猜想有這樣一類沒有反粒子的粒子,或者說它們自身就是自己的反粒子?後來,Majorana本人神秘消失,但從那開始,尋找這一顆神奇粒子也就成為物理學中許多領域研究工作的崇高目標。

  從2010年開始,張首晟就開始與“狄拉克公式”較勁,希望能破解狄拉克的魔咒,找到Majorana費米子。

  整整七年,張首晟和他的團隊一直在探索這個世界。2017年,張首晟宣佈發現“天使粒子”,這是繼“上帝”粒子、中微子、引力子之後量子物理的又一里程碑發現。張首晟將這個神秘粒子命名為“天使粒子”,他認為“天使粒子”是一個完美的世界,只有天使,沒有魔鬼。

  至此,在物理學界,科學家苦苦追尋了80年的“Majorana費米子”被發現,五大神秘粒子的表單可以再減少一個,而量子物理世界將因為此發現產生根本性的變化。不僅如此,古典哲學所建立的“正反對立的世界”:有陰必有陽,有天使必有惡魔”的世界觀將不複存在。

  只是讓人沒有想到的是,他找到“上帝粒子”後這麼快就離開了這個世界。

  03

  最心儀的“質能方程”

  用一個公式概括整個世界,一直是張首晟一生的夢想。

  當年在柏林自由大學學習時,張首晟一直將大統一理論當成自己的學術目標,這是愛因斯坦努力一生的事業。

  張首晟曾經說過,千年思想,最精華的都是大道至簡。你看宇宙美妙在哪兒?E=mc²這樣一個公式,能夠描寫小到原子,大到宇宙的世界。

  1905年,愛因斯坦用三紙論文寫下了著名的E=mc²,光速的平方緊緊地將能量與質量聯繫了起來,能量和質量開始合為一個整體——“質能”。

  一眼看去,E=mc²這個公式實在太過樸實,但就像大智者往往若愚,簡潔無華的它其實也是深藏不露的。毫不誇張地說,它徹底打破了我們以往的認知。

  在E=mc²中,E為能量,單位是焦耳(J);M為質量,單位是千克(Kg);C為真空中的光速(m/s),c=299792458m/s。整體表述為:能量等於質量乘以光速的平方。

  這個等式意味著,能量和質量其實是相互聯繫、不可分割的。質量是內斂的能量,能量是外顯的質量,這是史無前例的一個創新。

  張首晟一生反複談到過這個公式,它大道化簡地統一了物質和運動,用一個E=mc²把在經典力學中彼此獨立的質量守恒和能量守恒定律結合了起來,成了統一的“質能守恒定律”。質量就是能量,能量就是質量,就像在浩渺的宇宙中,時間就是空間,空間就是時間。

  當能夠用一個簡單的公式,描寫小小的原子到整個宏偉宇宙的時候,在張首晟的世界,這個空間無與倫比地美麗。

  04

  最信任的“橢圓曲線方程”

  在所有知名科學家中,只有張首晟對區塊鏈表達出了他的強烈興趣。

  不管外界如何看待,區塊鏈是他人生很重要的一個標籤。

  張首晟曾經說過我要用一句話來描寫這個偉大時代,就是「 In Math We Trust 」。

  在他的眼中,區塊鏈肯定不僅僅是炒幣,他認為這個世界能夠達成共識的不是經濟學,不是法律學,不是政治學,不是化學,不是生物,甚至也不是物理,最容易達到共識的是數學。

  在他的眼中,區塊鏈是數學,用數學作為信任的機製,是最自然的做法。而區塊鏈世界的公鑰和私鑰的組合,就是建立在數論上面,而且是建立在更高層的數論上面,即橢圓曲線方程。

  這是一個看起來很簡單的數學方程,但它卻是證明費馬大定理的關鍵,也是區塊鏈的基石。

  區塊鏈世界最底層的構架是數學,這才是張首晟最看好的。

  以比特幣為例,兩大基石保證了比特幣在數學上的合法性。一個是ECC橢圓曲線方程,它是比特幣錢包的生成方法。一個是SHA256安全散列算法,它是獲得數學資產的方法。ECC橢圓曲線方程保證了資產的安全性。SHA256安全散列算法保證了獲取資產的合法性。

  張首晟可能有他們自己的標準:

  他並不在乎區塊鏈引發的爭議,他想要的是數學上的合法性。他信任的不是人類,而是公式。

  05

  情有獨鍾的“熵+”

  張首晟說,對信息的認識,正是人類對大自然最重要的認識。

  而在他看來,這個描寫和衡量了信息的公式,正是熵的公式:S=-p log p。這個公式並不如E=mc²那樣眾人皆知,但眾人無時無刻不可避免地參與其中。

  張首晟曾經引用愛因斯坦的話,來表達他對熵+定律的看法:人類的知識再往前推進,牛頓力學可能不對,量子力學可能不對,相對論可能也不對,但信息熵的公式是永恒的。

  那麼熵+是什麼?

  1854年,一位叫克勞修斯的德國物理學家,首次提出了“熵”的概念。克勞修斯認為“在孤立的系統內,分子的熱運動總是會從原來集中、有序的的排列狀態逐漸趨向分散、混亂的無序狀態,系統從有序向無序的自發過程中,熵總是增加”。

  有人說熵+是最絕望的公式。也有人說,因為熵增的存在,宇宙的目的就像一場精心策劃、情節波瀾壯闊的自殺。無論你是誰,就算龐大如宇宙,最終都會走向“寂滅”。

  張首晟一生鍾情於熵+這個公式,並認為它是宇宙無可爭議的真理,這與他的抑鬱症是不是有某種命運的連接呢?總有一天,無序會到達頂點,不會再有生命和意識,無論是脆弱的人類、還是宏大的宇宙,都將走向死亡。

  或許這是一個悲劇,但正如每個悲劇里都有一位英雄,他以他的天才探尋這個世界,他追求真理,追求大道,即使這一切終是悲劇,也在所不辭。

  結語

  萬物速朽,唯有公式永恒

  張首晟曾說,如果世界末日來臨,他會帶這些公式登上諾亞方舟。如今,當他去往天國,或許也會捎上這些公式。

  從14歲開始自學數理,到55歲的驟然離去,在這短暫的四十年中,他眼中的世界,因這些公式散發出無與倫比的美麗。

  張首晟的一生,一直在追求一個萬物理論,他曾說:“我差點要離開理論物理,後來想到這個夢想之後就沒有離開了。”然而這一夢想還未實現,他卻永遠地離開了。

  失去這樣一位人類驕子,我們也不必過於悲傷。在他的數理世界里,生命也許並非最高存在,他更在意的是以下四句話:

  萬物速朽,唯有公式永恒

  人間虛妄,數學是唯一真實

  存在即數,0和1統治一切

  大道至簡,數是最美的語言

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