口述/张首晟 采访整理/本刊记者 杨宇
张首晟，美国斯坦福大学物理系教授，美国人文与科学院院士。1999年被聘为“长江学者”讲座教授，2009年入选国家“千人计划”短期项目，任清华大学高等研究院特聘教授。
在数学的美中找到物理的规律
1983年，我获得德国柏林自由大学的本科学位，相当于美国的硕士学位，然后就去了美国纽约州立大学石溪分校，在杨振宁先生那里攻读博士学位。
我考大学时选的专业是物理，在德国学的也是物理，这主要是受到杨振宁、李政道获诺贝尔奖的影响，我觉得他们不仅在科学上作出了重大贡献，更可贵的是为中华民族带来了自豪感。另外我也比较喜欢数学，但是又想真正看到现实世界里的自然规律，所以我觉得物理是最美妙的一门学问。
在当时的我看来，学物理就是要追求最高的梦想，即爱因斯坦的梦想——把宇宙中的4种力统一起来，就是所谓的大统一理论。杨振宁先生在这方面也做了非常杰出的工作，他和R.L.米尔斯在1954年提出的杨-米尔斯理论（Yang-Mills Theory，又称规范场理论）是研究自然界4种相互作用力（电磁力、弱相互作用力、强相互作用力、引力）的基本理论。
我非常向往这个目标，也想投身于这个方向，但后来在跟杨先生的交流中我体会到，物理的美在不同的方向都有，不一定要去大统一理论中找，而且这个方向的攻关是非常艰难的，连爱因斯坦花20年也不能解决，这个说不定要等到一定的时候，时机成熟了再来做。
后来也是由于杨先生的介绍，我进入了凝聚态物理领域。但我把爱因斯坦和杨先生的这种理念深深地接受了下来，就是要在数学的美中找到物理的规律。和别的同事相比，可能他们的技巧比我更好，但是，我从杨先生那里学到了科学的品位。科学有不同的研究方向你可以追求，但为什么选一个特定的方向，为什么这个方向就会带来不错的结果，这是一门非常了不起的学问。
科学的道路不是一帆风顺的，我们作为科学家，其实差不多90%的时间都是在“碰壁”，找了一些方向，做到一定时候就做不下去了，或者是做出一点成就，也不过只是写篇文章，但引不来一个大的领域的发展。科学家人生的绝大部分时间，的确是在“碰壁”的路上。但即使是在“碰壁”过程中，我们还是有一些小的成果，也许别人不那么欣赏，但我们自己觉得非常美妙。就是在这些美妙结果的堆积中，使得我们有足够的信心继续再往下走，最终，有些人如果幸运的话，会找到重大的科学发现。
最近，我们关于拓扑绝缘体的工作，是一系列非常成功的工作，也受到国际上很大的奖励。在过去五六十年，计算机芯片的升级一直是飞速发展，每过18个月计算能力就翻1倍，但是现在碰到了很大的瓶颈。我们从理论上，从数学结构的美中找到了一个新的原理——量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect）。在拓扑绝缘体这种材料中，电子能够像高速公路一样各行其道互不干扰地运动，这是一个很大的发现，解决了这个瓶颈。
做科学的最高境界是在理论上能够预言出一个新的现象或者一种新的材料，我们这次是预言了一种新的材料，并且在实验中也找到了，这标志着人类对材料科学的研究达到了一个新的层次。
其实人类的发展和材料的发展是密切相关的。人类早期的重大时代都是用材料命名的，旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代。到了工业革命时代，人类使用的材料又从铁变成了钢铁，但是所有这些材料几乎都是偶然发现的，都是通过很繁琐的实验发现的。我们这次比较成功的是在理论上预言了拓扑绝缘体这种材料的存在，在这种材料里，电子的运动方式完全改变了，其实际意义就是使得摩尔定律（Moore’s Law）能够继续推广下去，未来在信息革命方面会有比较大的应用。
1987年博士毕业生时的张首晟（左）与导师杨振宁
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