2018年12月1 日，著名華人物理學家張首晟教授意外辭世。張教授生前不僅在學術上頗有成就，也影響了許多優秀的年輕人。在他辭世一周年之際，張教授以前的博士後，現在史丹福大學物理系任教的祁曉亮教授寫下了這篇紀念文字。
撰文 | 祁曉亮（史丹福大學物理系教授）
去年的12月1日是周六，我帶著孩子在Redwood city參加聖誕節點燈的活動，現在還能清晰地記得華燈初上的時候，節日氣氛洋溢在興奮的孩子臉上。後來回憶時，卻總想起空氣中飛舞的肥皂泡，美麗的背後有著無聲的悲傷，因為就在那天，我的老師張首晟教授離開了我們。轉眼間又一年過去了，有的時候忙了一天下班坐在車裡的時候，腦中還會忽然有個聲音問自己，張老師真的走了嗎？總覺得他只是在travel，在某個很遠的地方，繼續充滿激情的奮鬥著。一年來一直想寫點什麼，卻一直不知道如何動筆。今天（編註：指2019年12月1日 ）跟隨師母和家人一同去掃墓，芳草萋萋，冷雨紛紛，我們的鮮花簇擁著墓碑。一年過去了，大概已到了可以長歌當哭的時候吧。希望寫下一點回憶和感想，分享給同樣在今天想念著張老師的大家。
我初識張老師是在本科的時候，大約2002年左右，聽張老師在清華講四維量子霍爾效應。現在回想起來，當時肯定是聽不懂的，但是卻覺得報告勾畫的藍圖特別激動人心。我第一次認真讀張老師的論文，是他和Shuichi Murakami 和Naoto Nagaosa關於內稟自旋霍爾效應的文章。當時是2004年，我在高等研究院跟翁徵宇老師讀博士，研究的方向是高溫超導理論。當時在強關聯電子系統這一領域的大多數研究者，往往把半導體和自旋電子學看成一個「沒什麼意思」的領域，覺得裡面沒有什麼新的物理，只是有應用上的價值。張老師的文章卻闡明了自旋軌道耦合的物理和非阿貝爾規範場的深刻聯繫，給我們提供了研究自旋軌道耦合問題的一個嶄新的視角。幾年後拓撲絕緣體領域的大突破，正是來自於強關聯繫統和量子霍爾效應與傳統半導體理論這兩大領域的一次大融合，而張老師關於內稟自旋霍爾效應的文章正是這次革命的導火索。我很幸運在那個關鍵的時間點接觸到這個領域，又恰好趕上拓撲物理學專家吳詠時老師正好訪問清華。我和吳老師一起跟張老師開始了合作，對量子自旋霍爾效應和量子反常霍爾效應進行了一些早期的理論模型研究。張老師對於我們合作的這個題目非常興奮，我一直清晰地記得我們工作中各種熱切的討論，特別是在工作完成的那天我們skype通話，張老師興奮地說「曉亮，你這個工作真是太棒了！」對於我和很多其他年輕學生來說，張老師這樣的熱情鼓勵都影響了我們一生。
2006年1月，我到張老師組裡做了三個月交換學生。在這段經歷中，有一件事讓我印象特別深刻。在那年春節的時候張老師帶著全組一起開了一整天組會，會後他又給我們發了一封郵件，熱情洋溢地寫道：「我們這個團隊有最優秀的一批年輕人，我非常自信我們接下來能夠做很重要的工作，不能滿足於完成幾篇在今年看起來很好的論文，更應該做出突破性（groundbreaking）的工作。」後來果然在幾個月後，張老師就和他的學生Andrei Bernevig和Taylor Hughes做出了對於第一個量子自旋霍爾效應材料（HgTe/CdTe 量子阱）的理論預言。這個工作讓量子自旋霍爾效應從理論模型階段正式走進現實，並迅速獲得實驗驗證。其實在更早的時候，張老師也建議過我研究HgTe這個材料，我卻因為對半導體這個領域不熟悉，沒有做下去。後來看來，這個系統的物理並不是那麼複雜，本質上的原因是缺乏信心——哪有那麼湊巧，理論家提出的一些簡單的模型正好就能在實際材料中實現呢？其實當時張老師和Andrei，Taylor也並非半導體專家，但他們通過不懈的努力，迅速跨越了領域的壁壘，真正搞懂了這個材料和實現拓撲絕緣體的關鍵機制，終於功夫不負有心人。「上士聞道，勤而行之，中士聞道，若存若亡」，這件事讓我非常欽佩張老師的敏銳直覺和認真精神，也深刻體會到自己的不足。後來張老師和合作者在拓撲物態的預言和實現方面不斷取得重大進展，如Bi2Te3系列三維拓撲絕緣體、量子反常霍爾效應等，與張老師這種堅定的信念和不懈的努力是分不開的。
我從2007年到2009年跟張老師做博士後，幸運地參與了拓撲絕緣體理論和材料預言方面的一些早期工作。我博士後期間最主要的工作是拓撲絕緣體的場論描述，以及提出了相應的物理效應——拓撲磁電效應。2007年初，張老師建議我和Taylor Hughes研究這個問題，一開始我們進展比較慢。我記得到了五六月份的時候我們在Monterey Bay有一個小會，我那天忽然有了一些新的想法，我跟張老師說了以後他很有興趣，我們連夜在酒店大堂討論。一開始我們只是想推導出三維拓撲絕緣體的拓撲場論描述，結果在理解這個推導的過程中，逐步發現其實各種拓撲絕緣體的描述都可以統一在陳-賽蒙斯（Chern-Simons）理論的大框架下，由此看出拓撲絕緣體不是一兩個孤立的系統，而是在各種空間維度和對稱性的體系中都存在的一大類物理體系。完成這個工作花了大半年，那是一段非常愉快的經歷，在張老師辦公室進行過無數次熱烈的討論，那種感覺好像一開始山窮水盡，不料柳暗花明之後，江面越來越開闊，景色目不暇接，轉眼間輕舟已過萬重山。
圖1 2009年4月，我（左）和張首晟老師（右）在加州的Fallen Leaf Lake開會留影
從2010年以來，我留在史丹福大學做faculty，因此一直能夠有很多機會聆聽張老師的教誨，也受到他全面的幫助和支持，讓我一直覺得我是他的學生中最幸運的一個。記得還是我博士後的時候，有一次出去開會，正好我和張老師坐同一班飛機回來，他的車在機場，就主動邀請我坐他的車回家。路上我們聊起科研的選題問題，我問張老師：「您換了好幾次研究方向（四維量子霍爾效應、高溫超導、自旋電子學、拓撲絕緣體），都非常成功，您是如何選擇這些方向的呢？」張老師說：「這就像衝浪一樣，要看到一個wave（一個研究的潮流），但是不要僅僅去跟隨它，而是要把它引導到新的方向。」
這個比喻多年來一直在我心中，它深刻地概括了張老師獨特的戰略思維。他不是書齋中閉門研究的獨行者，而是引領時代樂章的指揮家。我覺得張老師帶學生的風格也和這種眼光有關。他對每個學生都能夠敏銳地判斷出他的興趣和優缺點，然後通過提問和一些簡單明確的課題來讓學生迅速成長起來，找到自己的路。他從不手把手教學生東西，讓學生受益最多的反而是他不教我們的東西——如果你給他解釋一個概念講清楚了80%，他一定不會教給你剩下的20%，而是要求你再回去把它弄懂，直到百分之百地講清楚為止。張老師非常善於把問題明確化。在討論中，他總是強調要找到explicit的問題，避免模稜兩可。他的這種思維方式不僅僅用於物理問題。比如他在教學生如何做報告的時候，不會泛泛地說「你要講得清楚一點」，而是說「你準備報告的時候要對於你的聽眾選定一個model（選一個你熟悉的人，知識背景跟聽眾中大多數人相近的，作為代表），設想你在給他講。」這樣就知道從什麼角度講才能清楚。幾年前有一次他跟我說：他找到了一個選擇好問題的新判據，就是選擇一個像克卜勒三定律那樣的問題——克卜勒總結出的行星三定律如此簡潔，意味著背後一定有深刻的規律，這就是理論家可以大有用武之地的大問題。相比之下，如果不能總結出簡潔的唯象規律，只有複雜的現象，那麼它後面就不一定有深刻的理論問題可以研究。
張老師從來都鼓勵我們不要給思維設置條條框框，要沒有邊界地把不同領域聯繫起來思考。他和他的學生吃飯的時候，總是會問大家最近有什麼crazy idea嗎？所以當他第一次告訴我他要建立一個風險投資基金的時候，我完全沒有驚訝，因為我覺得這件事情很符合他的興趣——他會很高興聽很多年輕人來給他講不同的idea，並且會用一種新的方式來以他的思想影響這個世界。在那之後的這幾年中，我的研究興趣也漸漸發生著變化，更多地探索量子信息和量子引力的問題。我們仍然繼續著拓撲絕緣體和拓撲超導體方面的合作，但也會討論各種新的方向中的有趣問題。我從張老師那裡學到了很多關於加密計算、區塊鏈等方面的知識。就在去年八月，我們還在他辦公室和幾個學生一起討論數學問題到很晚，然後一起去吃披薩。所有有張老師參加的聚餐都是非常愉快的，因為從來不會缺少「有營養」的話題。不管同去的人是物理學家、數學家還是歷史學家、藝術家、企業家，他總有很多問題要問，總有很多新的體會跟我們分享。無論是在辦公室、餐館還是在走路的時候，他的思想總是不停地在探索，在追求。張老師對德國文化有很深入的了解。他的這種永不停歇的追求讓我想到歌德的《浮士德》。很遺憾我們沒有聊過這個話題，不知道他對這部作品是怎樣的看法。
圖2 2012年，張首晟老師在清華高等研究院討論問題。這是我特別喜歡的一張照片。
張老師的驟然離去，對於所有敬愛他的人是一個莫大的悲劇。所幸物理學是關於永恆，張老師的思想早已超越生命的界限。愛因斯坦在他朋友的葬禮上說：「對於我們篤信物理學的人來說，過去、現在和未來之間的區別只不過是一種頑固的幻覺。」記得去年剛聽到噩耗的那天，我夜不能寐，就打開張老師的一個報告視頻，跟著他的思路思考物理數學的各種問題，心情很快就平復了很多。今年五月，我們在斯坦福組織了紀念張老師的學術討論會，張老師的很多朋友和學生都從世界各地趕來。我們在會上分享了許多關於張老師的回憶，也交流了很多學術思想，在這種關於永恆的表達和思考中，我們為張老師的離去而難過不安的心又找到了支點。另外，師母Barbara和她的孩子們的堅強和樂觀，也讓我受到了很多鼓勵和感激。在最艱難的時候，師母仍然想著我們這些張老師的學生們，經常請我們去她家裡一起聚會，和我們分享張老師留下的手稿，以及很多其他的珍貴回憶。衷心希望她和孩子們能夠順利平安，相信張老師在天有靈，看著他們一定會很欣慰吧。對於我們這些張老師的學生而言，最好的紀念就是繼承張老師獨到的科學思想，永不停歇的創新精神，和對自然規律的真實與優美的不懈追求。
願張老師的精神與我們同在！
祁曉亮
2019年12月1日
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