离诺贝尔奖最近的华人远去了

硅谷英雄：谁是离诺贝尔奖最近的华人？(原发于2014年3月7日)

当老利兰-斯坦福(Leland Stanford)开始构想、设计斯坦福大学的时候，他坚持要让学校的第一栋科学楼 – 化学试验室远离学校中心的“四合院”(QUAD)。他很担心化学试验会出意外，导致起火或爆炸将学校夷为平地。老斯坦福是对的，科学家们的确会做一些危险而发疯的事情，但把化学系流放出去却是一个错误。物理系其实更危险。

你或许听说过反物质。这种由反粒子构成的东西非常奇异，当物质与反物质相遇时会发生剧烈爆炸，有一个专用名词：湮灭(annihilation)。人人都知道核爆炸威力巨大，也只有一部分物质转变为能量。湮灭则不同，物质与反物质都完全毁灭，产生的能量要比核反应要大的多。如果你认为反物质只有在科幻小说中存在，你就错了。其实，在美国旧金山湾区人口最稠密的地区，在斯坦福大学，物质与反物质湮灭的事件不断地发生。280号公路是硅谷的一条大动脉，每天车流滚滚，风驰电掣。很少人知道的是在离Sand Hill出口不远的地方，一束束电子或正电子在地下数米处横穿280公路，撞向目标 - 另一束迎面飞奔而来的粒子。

这就是著名的斯坦福线性加速器(Stanford Linear Accellorator Center, 简写SLAC)。SLAC拥有世界上最长的2英里直线加速器。将代电粒子加速到很高速度，让它们相互碰撞，然后观察会发生什么事情，这就是加速器最重要的目的。当一个电子同一个正电子(电子的反物质)相撞会发生什么？对了，火光四射，e+e低能湮灭时会产生出伽马射线。可当电子或正电子被加到很高的速度再相撞，各种古怪奇异的东西会产生出来，有时是W玻色子(W boson)，有时是Z玻色子(Z boson)，甚至胶子(gluon)，质子。SLAC并不是最大的加速器，但它的尺寸和设计很适合产生和研究Z玻色子。

很久以来我一直很想去SLAC参观，可平常有门卫把守，要想进入唯一的方法是参加中心的公共讲座(Public Lecture)。这次同SLAC的邂逅，虽然没有机会参观加速器内部设施，却碰巧遇上了斯坦福物理学家张首晟，有幸聆听他讲述材料物理领域的新发展，受益非浅。

空中鸟瞰SLAC(网络照片)

张首晟离诺贝尔奖还有多远？

尽管平常是重兵把守，但每隔一两个月，斯坦福线性加速器中心就会敞开大门，用一场精彩的讲座来答谢社区人士的支持。这些讲座介绍在科学前沿所发生的激动人心的事件。从钻石的纳米技术，到最新的希格斯玻色子(higgs boson)的发现，加速器中心的公开讲座成为普通民众了解科学发展的一个难得的渠道。

参加这类讲座的以退休人士为主，很多人以前是科学家，工程师，等等。再有就是斯坦福或周围学校的大学生、研究生。偶然也有家长带着孩子来。能听懂多少很难说，但他们愿意把孩子带来还是值得称赞，没准孩子会受到启发，讲座也成为影响一生的重要事件。

张首晟教授在这场题为“电子高速公路”(Electron Superhighway)的讲演中首先提到硅谷所面临的危机 – 其赖于生存的“摩尔定律”(Moore's law)已经无以为继。当巨量的晶体管被挤进大规模集成电路时，耗能和散热的问题无法解决。以硅为基石的现代电子行业已经走到了尽头。

张首晟提出的解决方法是让流往一个方向的电流有自己专用的通道，就像在高速公路上开车一样。听上去简单，要实现这个目标需要一种全新的材料来替代硅。接下来讲的是他自己的方向：拓扑绝缘体(Topological Insulator)、量子自旋霍尔效应(Quantum spin Hall effect)，以及高温超导等领域的研究。要准确介绍这些概念超出我能力范围，有兴趣的读者可以观看张教授的Youtube讲演录相，是相当激动人心的。在演讲快结束的时候，张首晟提出了大胆的预测：一种以单层锡分子制成的材料叫Stanene具备所有想要的特点 – 可在室温条件下成为拓扑绝缘体。

如果他的预言成为现实，这种材料可以用在大规模集成电路中，进而解决现有材料无法逾越的耗能和散热的问题。他甚至开玩笑地建议，如果成功应该把“硅谷”改名为“锡谷”(Tin Valley)。

张首晟1963年出生于上海，1978年时他只是初中生，跳过高中，直接考入我的母校-复旦大学。按照他自己的说法，高中那点东西都是自学的。张首晟并没有在复旦待很久，他在1980年赴德国柏林自由大学留学一直到获硕士学位。后赴美国纽约州立大学石溪分校(State U of New York at Stony Brook)深造，在扬振宁的建议下转攻材料物理，1987年获博士学位(他并不是扬振宁正式的学生)。从1993年起，张首晟任教于斯坦福大学。

张首晟与扬振宁(网络照片)

拓扑绝缘体原本是一个生僻的物理概念，近年来却变成异常火爆。连当红美剧“生活大爆炸”(The Big Bang Theory)里的主角肖登(Sheldon Cooper)都曾给过一个拓扑绝缘体的讲演(当然是搞笑的)。除了张首晟带领的斯坦福的研究团队之外，普林斯顿大学，宾西法尼亚大学等机构都有科学家在做同一方向的研究工作。不同小组你追我赶，一时还很难看出谁是最后的赢家。

张首晟的工作也让他频频得奖，以至于有人坚称他是下一位获得诺贝尔奖的华人。作为科学家，主要目标是解决一个问题，发现前人没有发现过的东西，至于得奖与否不应该是主要的考量。但话又说回来，我觉得他的确很有可能得奖。张首晟做的工作肯定是诺贝尔级别的；但能不能得奖，什么时候得奖，现在预测可能还为时过早。比如SLAC的科学家在1968年发现了“夸克”，直到20多年后的1990年才得奖，更不要说还有许多重要发现没有获奖。张首晟应该说是非常幸运的，在中国教育界学术界有机会污染他之前就离开了中国，研究生时有名师指点，自己的研究方向又赶上大发展的时期，一路都是福星高照。

诺贝尔奖是中国人永远的痛。如果把文学奖，和平奖除外，现有的八位华人诺奖科学奖获得者要么是解放前出国的(李政道，扬振宁，崔琦)，要么是香港台湾或国外长大的(丁肇中，李远哲，钱永健，高锟，朱棣文)。这同中国在教育、科学的投资不成比例，跟中国的人口更不成比例。国人一直在问，为什么还没有新中国出来的华人获得诺贝尔科学奖？这是个非常好的问题，你们说是什么原因呢？

我觉得很重要的一个原因是时辰未到。中国开放之前科学很落后闭塞，希望只能放在改革开放后的进大学的人才身上。这些人现在还在出成绩的阶段。让我们乐观一点，假设张首晟能顺利地在5年内即2019年获得诺贝尔物理学奖。届时他离1978年考上大学也过去了40年了。中国有句老话“十年树木，百年树人”，打造一个诺贝尔奖获得者就是要这么长时间，没有什么捷径可走。

张首晟SLAC讲演的视频：http://www.youtube.com/watch?v=ukBOYpz3U9E

张首晟的讲座“电子高速公路”