思想之碑永恒——纪念我的老师张首晟教授

撰文 | 祁晓亮（斯坦福大学物理系教授）

2018年12月1日，著名华人物理学家张首晟教授意外辞世。张教授生前不仅在学术上颇有成就，也影响了许多优秀的年轻人。在他辞世一周年之际，张教授以前的博士后，现在斯坦福大学物理系任教的祁晓亮教授写下了这篇纪念文字。

去年的12月1日是周六，我带着孩子在Redwood city参加圣诞节点灯的活动，现在还能清晰地记得华灯初上的时候，节日气氛洋溢在兴奋的孩子脸上。后来回忆时，却总想起空气中飞舞的肥皂泡，美丽的背后有着无声的悲伤，因为就在那天，我的老师张首晟教授离开了我们。转眼间又一年过去了，有的时候忙了一天下班坐在车里的时候，脑中还会忽然有个声音问自己，张老师真的走了吗？总觉得他只是在travel，在某个很远的地方，继续充满激情的奋斗着。一年来一直想写点什么，却一直不知道如何动笔。今天（编注：指2019年12月1日 ）跟随师母和家人一同去扫墓，芳草萋萋，冷雨纷纷，我们的鲜花簇拥着墓碑。一年过去了，大概已到了可以长歌当哭的时候吧。希望写下一点回忆和感想，分享给同样在今天想念着张老师的大家。

我初识张老师是在本科的时候，大约2002年左右，听张老师在清华讲四维量子霍尔效应。现在回想起来，当时肯定是听不懂的，但是却觉得报告勾画的蓝图特别激动人心。我第一次认真读张老师的论文，是他和Shuichi Murakami 和Naoto Nagaosa关于内禀自旋霍尔效应的文章。当时是2004年，我在高等研究院跟翁征宇老师读博士，研究的方向是高温超导理论。当时在强关联电子系统这一领域的大多数研究者，往往把半导体和自旋电子学看成一个“没什么意思”的领域，觉得里面没有什么新的物理，只是有应用上的价值。张老师的文章却阐明了自旋轨道耦合的物理和非阿贝尔规范场的深刻联系，给我们提供了研究自旋轨道耦合问题的一个崭新的视角。几年后拓扑绝缘体领域的大突破，正是来自于强关联系统和量子霍尔效应与传统半导体理论这两大领域的一次大融合，而张老师关于内禀自旋霍尔效应的文章正是这次革命的导火索。我很幸运在那个关键的时间点接触到这个领域，又恰好赶上拓扑物理学专家吴咏时老师正好访问清华。我和吴老师一起跟张老师开始了合作，对量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应进行了一些早期的理论模型研究。张老师对于我们合作的这个题目非常兴奋，我一直清晰地记得我们工作中各种热切的讨论，特别是在工作完成的那天我们skype通话，张老师兴奋地说“晓亮，你这个工作真是太棒了！”对于我和很多其他年轻学生来说，张老师这样的热情鼓励都影响了我们一生。

2006年1月，我到张老师组里做了三个月交换学生。在这段经历中，有一件事让我印象特别深刻。在那年春节的时候张老师带着全组一起开了一整天组会，会后他又给我们发了一封邮件，热情洋溢地写道：“我们这个团队有最优秀的一批年轻人，我非常自信我们接下来能够做很重要的工作，不能满足于完成几篇在今年看起来很好的论文，更应该做出突破性（groundbreaking）的工作。”后来果然在几个月后，张老师就和他的学生Andrei Bernevig和Taylor Hughes做出了对于第一个量子自旋霍尔效应材料（HgTe/CdTe 量子阱）的理论预言。这个工作让量子自旋霍尔效应从理论模型阶段正式走进现实，并迅速获得实验验证。其实在更早的时候，张老师也建议过我研究HgTe这个材料，我却因为对半导体这个领域不熟悉，没有做下去。后来看来，这个系统的物理并不是那么复杂，本质上的原因是缺乏信心——哪有那么凑巧，理论家提出的一些简单的模型正好就能在实际材料中实现呢？其实当时张老师和Andrei，Taylor也并非半导体专家，但他们通过不懈的努力，迅速跨越了领域的壁垒，真正搞懂了这个材料和实现拓扑绝缘体的关键机制，终于功夫不负有心人。“上士闻道，勤而行之，中士闻道，若存若亡”，这件事让我非常钦佩张老师的敏锐直觉和认真精神，也深刻体会到自己的不足。后来张老师和合作者在拓扑物态的预言和实现方面不断取得重大进展，如Bi2Te3系列三维拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应等，与张老师这种坚定的信念和不懈的努力是分不开的。

我从2007年到2009年跟张老师做博士后，幸运地参与了拓扑绝缘体理论和材料预言方面的一些早期工作。我博士后期间最主要的工作是拓扑绝缘体的场论描述，以及提出了相应的物理效应——拓扑磁电效应。2007年初，张老师建议我和Taylor Hughes研究这个问题，一开始我们进展比较慢。我记得到了五六月份的时候我们在Monterey Bay有一个小会，我那天忽然有了一些新的想法，我跟张老师说了以后他很有兴趣，我们连夜在酒店大堂讨论。一开始我们只是想推导出三维拓扑绝缘体的拓扑场论描述，结果在理解这个推导的过程中，逐步发现其实各种拓扑绝缘体的描述都可以统一在陈-赛蒙斯（Chern-Simons）理论的大框架下，由此看出拓扑绝缘体不是一两个孤立的系统，而是在各种空间维度和对称性的体系中都存在的一大类物理体系。完成这个工作花了大半年，那是一段非常愉快的经历，在张老师办公室进行过无数次热烈的讨论，那种感觉好像一开始山穷水尽，不料柳暗花明之后，江面越来越开阔，景色目不暇接，转眼间轻舟已过万重山。

图1 2009年4月，我（左）和张首晟老师（右）在加州的Fallen Leaf Lake开会留影

从2010年以来，我留在斯坦福大学做faculty，因此一直能够有很多机会聆听张老师的教诲，也受到他全面的帮助和支持，让我一直觉得我是他的学生中最幸运的一个。记得还是我博士后的时候，有一次出去开会，正好我和张老师坐同一班飞机回来，他的车在机场，就主动邀请我坐他的车回家。路上我们聊起科研的选题问题，我问张老师：“您换了好几次研究方向（四维量子霍尔效应、高温超导、自旋电子学、拓扑绝缘体），都非常成功，您是如何选择这些方向的呢？”张老师说：“这就像冲浪一样，要看到一个wave（一个研究的潮流），但是不要仅仅去跟随它，而是要把它引导到新的方向。”

这个比喻多年来一直在我心中，它深刻地概括了张老师独特的战略思维。他不是书斋中闭门研究的独行者，而是引领时代乐章的指挥家。我觉得张老师带学生的风格也和这种眼光有关。他对每个学生都能够敏锐地判断出他的兴趣和优缺点，然后通过提问和一些简单明确的课题来让学生迅速成长起来，找到自己的路。他从不手把手教学生东西，让学生受益最多的反而是他不教我们的东西——如果你给他解释一个概念讲清楚了80%，他一定不会教给你剩下的20%，而是要求你再回去把它弄懂，直到百分之百地讲清楚为止。张老师非常善于把问题明确化。在讨论中，他总是强调要找到explicit的问题，避免模棱两可。他的这种思维方式不仅仅用于物理问题。比如他在教学生如何做报告的时候，不会泛泛地说“你要讲得清楚一点”，而是说“你准备报告的时候要对于你的听众选定一个model（选一个你熟悉的人，知识背景跟听众中大多数人相近的，作为代表），设想你在给他讲。”这样就知道从什么角度讲才能清楚。几年前有一次他跟我说：他找到了一个选择好问题的新判据，就是选择一个像开普勒三定律那样的问题——开普勒总结出的行星三定律如此简洁，意味着背后一定有深刻的规律，这就是理论家可以大有用武之地的大问题。相比之下，如果不能总结出简洁的唯象规律，只有复杂的现象，那么它后面就不一定有深刻的理论问题可以研究。

张老师从来都鼓励我们不要给思维设置条条框框，要没有边界地把不同领域联系起来思考。他和他的学生吃饭的时候，总是会问大家最近有什么crazy idea吗？所以当他第一次告诉我他要建立一个风险投资基金的时候，我完全没有惊讶，因为我觉得这件事情很符合他的兴趣——他会很高兴听很多年轻人来给他讲不同的idea，并且会用一种新的方式来以他的思想影响这个世界。在那之后的这几年中，我的研究兴趣也渐渐发生着变化，更多地探索量子信息和量子引力的问题。我们仍然继续着拓扑绝缘体和拓扑超导体方面的合作，但也会讨论各种新的方向中的有趣问题。我从张老师那里学到了很多关于加密计算、区块链等方面的知识。就在去年八月，我们还在他办公室和几个学生一起讨论数学问题到很晚，然后一起去吃披萨。所有有张老师参加的聚餐都是非常愉快的，因为从来不会缺少“有营养”的话题。不管同去的人是物理学家、数学家还是历史学家、艺术家、企业家，他总有很多问题要问，总有很多新的体会跟我们分享。无论是在办公室、餐馆还是在走路的时候，他的思想总是不停地在探索，在追求。张老师对德国文化有很深入的了解。他的这种永不停歇的追求让我想到歌德的《浮士德》。很遗憾我们没有聊过这个话题，不知道他对这部作品是怎样的看法。

图2  2012年，张首晟老师在清华高等研究院讨论问题。这是我特别喜欢的一张照片。

张老师的骤然离去，对于所有敬爱他的人是一个莫大的悲剧。所幸物理学是关于永恒，张老师的思想早已超越生命的界限。爱因斯坦在他朋友的葬礼上说：“对于我们笃信物理学的人来说，过去、现在和未来之间的区别只不过是一种顽固的幻觉。”记得去年刚听到噩耗的那天，我夜不能寐，就打开张老师的一个报告视频，跟着他的思路思考物理数学的各种问题，心情很快就平复了很多。今年五月，我们在斯坦福组织了纪念张老师的学术讨论会，张老师的很多朋友和学生都从世界各地赶来。我们在会上分享了许多关于张老师的回忆，也交流了很多学术思想，在这种关于永恒的表达和思考中，我们为张老师的离去而难过不安的心又找到了支点。另外，师母Barbara和她的孩子们的坚强和乐观，也让我受到了很多鼓励和感激。在最艰难的时候，师母仍然想着我们这些张老师的学生们，经常请我们去她家里一起聚会，和我们分享张老师留下的手稿，以及很多其他的珍贵回忆。衷心希望她和孩子们能够顺利平安，相信张老师在天有灵，看着他们一定会很欣慰吧。对于我们这些张老师的学生而言，最好的纪念就是继承张老师独到的科学思想，永不停歇的创新精神，和对自然规律的真实与优美的不懈追求。

愿张老师的精神与我们同在！

祁晓亮

2019年12月1日

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