拓?fù)鋵W(xué)是一個(gè)數(shù)學(xué)分支，它研究的是“不連續(xù)”的特征。一個(gè)物體身上，大部分我們熟悉的特征都是連續(xù)的：一個(gè)長(zhǎng)方形可以變大一點(diǎn)點(diǎn)，變小一點(diǎn)點(diǎn)，粗一點(diǎn)點(diǎn)，細(xì)一點(diǎn)點(diǎn)。拓?fù)鋵W(xué)不關(guān)心這些。但是如果我在長(zhǎng)方形上挖洞，那么它要么沒有洞，要么有1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)……不會(huì)有4.5個(gè)洞或者1.414個(gè)洞。這樣的特征就是拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注的。

當(dāng)然現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)注的不是一個(gè)東西上有幾個(gè)洞，而是遠(yuǎn)為抽象的特征，但這些特征同樣不連續(xù)。張首晟在研究這些特征的時(shí)候，成功創(chuàng)造出了 “拓?fù)浣^緣體”。

設(shè)想一個(gè)有很多電子的大塊低溫薄膜，給它加上一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，它就會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)奇妙的特點(diǎn)：只在薄膜的邊緣導(dǎo)電，但薄膜的中央不會(huì)導(dǎo)電。如果你拉伸這個(gè)薄膜，那么產(chǎn)生的新邊緣也會(huì)導(dǎo)電，中央依然不導(dǎo)電；就算你往邊緣里添加了本來足以阻斷電流的雜質(zhì)，結(jié)果依然是邊緣繼續(xù)導(dǎo)電。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的根本原因，就在于邊緣被“拓?fù)浔Ｗo(hù)”起來了；就像長(zhǎng)方形上有幾個(gè)洞不會(huì)隨意改變一樣，薄膜邊緣的電學(xué)特征也不會(huì)隨便改變。這個(gè)現(xiàn)象是量子霍爾效應(yīng)的體現(xiàn)，很早就為人所知，只是在不太久之前才得到了拓?fù)涞慕忉尅?

但這個(gè)效應(yīng)需要外加一個(gè)大磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)，這太麻煩了，而且在很多場(chǎng)合非常不切實(shí)際，無法應(yīng)用。不用磁場(chǎng)能不能有這么厲害的特征？

也有，那就是理論預(yù)言的所謂“量子自旋霍爾效應(yīng)”——用電子自己的自旋軌道耦合，來代替磁場(chǎng)的效果。而張首晟預(yù)言可以在HgTe量子阱實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，并和德國(guó)團(tuán)隊(duì)合作真的把它造了出來。他們得到的物質(zhì)，無需外界作用自己就可實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)效果，只在邊緣導(dǎo)電，內(nèi)部則是絕緣體。這樣的物質(zhì)，就是所謂的“拓?fù)浣^緣體”。

拓?fù)浣^緣體示意圖，中心一層為HgTe，上下兩層為絕緣物質(zhì)丨斯坦福大學(xué)官網(wǎng)

這個(gè)發(fā)現(xiàn)在理論和應(yīng)用里都有很重要的意義，不僅創(chuàng)造出了一種全新的物態(tài)，為后續(xù)的眾多研究制造了新工具，而且它的獨(dú)特屬性也讓它有望在量子計(jì)算等領(lǐng)域大展身手。《科學(xué)》雜志把這項(xiàng)工作評(píng)為2007年的“全球十大重要科學(xué)突破”之一；這些成就也讓張首晟贏得了幾乎所有物理學(xué)界的榮譽(yù)：歐洲物理獎(jiǎng)、巴克萊獎(jiǎng)、狄拉克獎(jiǎng)、尤里基礎(chǔ)物理學(xué)，富蘭克林獎(jiǎng)等等。

2017年，張首晟還和眾多合作者一起做出了另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：觀測(cè)到了“馬約拉納邊界模”，它具有自己的反面還是自己的奇妙屬性。被命名為“天使粒子”的它并非一個(gè)真正的基本粒子，只是一群電子表現(xiàn)出了特殊特征，但依然部分驗(yàn)證了早年關(guān)于馬約拉納費(fèi)米子的理論預(yù)言，也對(duì)量子計(jì)算有重大啟示。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了學(xué)界的激烈討論和繼續(xù)跟進(jìn)，《自然》雜志幾個(gè)月前才同時(shí)刊發(fā)了兩篇文章，報(bào)道兩個(gè)小組在這個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

沒等到的諾貝爾獎(jiǎng)

楊振寧曾經(jīng)說，“他獲得諾貝爾獎(jiǎng)只是時(shí)間問題”。然而，張首晟卻沒有等到那一天。2018年12月1日，著名物理學(xué)家張首晟突然去世。南華早報(bào)公布了其家人的郵件片段，稱他是在“與抑郁癥斗爭(zhēng)后……意外離世”。

我們不知道最后的時(shí)間中，張思考了什么，又做了怎樣的抉擇。由人類巨大未知組成的夜空中，這顆流星，耀眼地劃過。

張首晟說起過，他將他的發(fā)現(xiàn)叫做“天使粒子”的原因：“根據(jù)以往的認(rèn)知，我們似乎生活在一個(gè)充滿正反對(duì)立的世界。有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔?！庇^測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子準(zhǔn)粒子，就像是瞥見了另一個(gè)世界的影子，在那里魔鬼并不存在，天使的反面依然是天使。

可惜那不是我們的世界。

張教授12月1日離世，12月6日消息公開，很快網(wǎng)上充滿了各種明顯不符合事實(shí)的陰謀論。

張首晟教授獲得的“歐洲物理獎(jiǎng)”是在2010年，獎(jiǎng)勵(lì)的是純粹的基礎(chǔ)物理成果。他的成就長(zhǎng)期而言有可能在量子計(jì)算或芯片領(lǐng)域得到應(yīng)用，但短期內(nèi)并不可能，他也沒有投身于此。

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