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张首晟:人类最伟大的9个思维模型


来源:中国金融信息中心

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CFIC导读:

2017年7月21日,张首晟团队发现天使粒子,这是继“上帝”粒子、中微子、引力子之后量子物理的又一里程碑发现,震动世界。


张首晟在混沌大学授课

2017年7月21日,张首晟团队发现天使粒子(马约拉那费米子),这是继“上帝”粒子、中微子、引力子之后量子物理的又一里程碑发现,震动世界。

张首晟,2010年获欧洲物理奖,2012年获美国凝聚态物理最高奖奥利弗巴克利奖,2012年获得狄拉克奖,2014年获美国富兰克林奖……被称为最接近诺贝尔物理学奖的华裔物理学家。

一年前,他在混沌大学分享了人类历史上最伟大的9个思维模型。今天让我们重温。

授课老师|张首晟

斯坦福大学终身教授,美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士

我想以一个问题开始:假设世界末日到了,诺亚方舟上只能够携带一对动物和一个信封,信封背面,你可以总结所有人类知识,那你们会写下什么?

我分享下我会写下什么,这堂课将围绕这些答案:

人类最伟大的9个思维模型

自然界基本常数


作为一个物理学家,我觉得人类文明最高的建树还是科学真理。科学真理最重要的是两点,一是能量,二是信息。

对能量最深刻的认识来爱因斯坦,就是E=mc²,如果总结人类最知名的公式,这是首选。大家说物质本身也很重要,但是通过E=mc²,就发现物质和能量是一回事。

对信息的认识,是人类对大自然最重要的认识。怎么描写和衡量信息,也有一个非常奇妙信息熵的公式:S=-p log p。

这个公式不像E=mc²那么知名,但爱因斯坦说过一句话:等到人类的知识往前推进,牛顿力学可能不对,量子力学可能不对,相对论可能也不对,但信息熵的公式是永恒的。

我们这个时代,可能觉得科学万能,但第三个公式告诉我们,科学不是万能的。科学的伟大,在于能够告诉科学的界限在哪儿。

这就是量子力学的海森堡测不准原理,科学有一个永远不能跨过的界限,你不可能把一个粒子的位置,和它的重量,或者它的速度,同时精准地测量出来。

哲学上讲,客观世界完全独立于主观世界的存在,但是这是个伪命题,并不是真正存在的。

真正能观察到的,是客观和主观之间的结合,由于观察者和被观察的世界相互作用,我们不可能无穷精准地把客观世界了解清楚。

这是第三个公式的伟大,因为它不只是讲了一个科学的原理,更说明了一个哲学的原理,告诉我们客观的世界和主观的世界,不能完全割裂。  

万物都是由原子构成

人类的文明不只局限于科学,还有哲学,政治,法律⋯⋯如果用一句话来描写整个世界里,最值得告诉下一代的话,就是“万物都是由原子构成”。

譬如中医讲“气”,好象是非常神奇的东西,这个气,本身也是由原子组成的。因为世界上不可能有别的物质产生。

不只是地球,整个宇宙的原子,和我们这里的原子完全是一模一样的。

我们怎么会知道?因为每个原子会发出一些特殊的光来。譬如说我们知道太阳上有氦原子,氦原子发出光的那个性质,所谓的光谱和地球上能够观察到的光谱一模一样。整个宇宙世界里,万物都是由原子构成的。

这个道理大家是要慢慢想。但是这个概念是个非常伟大的概念,虽然真正对原子的理解,是20世纪初由于量子力学的奠基。

但是大家知道了不起的一点,两千年以前,原子的概念就被希腊的人提出来了。所以,这是一种思想方法,就是要把世界上万物的复杂性归纳到原子的简单性。

我们知道元素周期表特别简单,那么千变万化的世界,归纳到最后就是这100多种元素,这就是思想方法的伟大。

好像是非常抽象的科学概念,和我们今天办企业有什么关系?做任何的企业要能赚钱,就是用简单的办法来解决一个复杂的问题。

欧几里德的几何定理

以上是物理的概念,也是化学的概念,如果用数学来描写,最精华的思想是什么?希腊文明的伟大,除了那些公式之外,是把数学思想已经基本奠定了,这就是欧几里得的公理系统。

这么错综复杂的理论体系,它一定要建设在五条不言而喻的公理上面:比如两点可以划一条直线;所有直角都全等⋯⋯

这个事情我们觉得真是太不言而喻了,根本不需要证明。欧几里得把它作为基本的公理,就是第一性原理。再复杂的知识体系,你一定要归纳成最少的几条不言而喻的公理。

欧几里得的妙处就是出发于那些显而易见的公理,来整理他整个知识的体系,把它变成一个丰茂的大树,这些大树的根就是一些公理。

在这种情况下,物理的思想和几何的思想也是统一的思想,把万物归到一个最最简单的原理上。

自然选择,适者生存

生物是一个非常复杂的系统,好像不容易总结出非常简单而普世的规律,其实,如果整个生物用一句话来描写的话,就是“自然选择,适者生存”。

所以,生物之所以能够进化,是因为周围的环境一直在改变,能够适应环境的生物就能生存,不适应的就会被淘汰,这是进化的最原始动力。

我们每次讲公司的生和死,其实已经潜意识把公司看成是生物,公司也是同样适者生存,竞争是非常残酷的,但是越是极地环境下生存的公司,就越优秀。

人人生来平等

讲起人文的思想,如果用一句话来总结的话,就是“人人生来平等”。这是美国《独立宣言》上的第一句话,基本上模仿了欧几里得的公理系统。

它说我要建一个国家,国家是一个非常复杂的体系,但也要建在一个基本的原理上。这个基本的原理,一定要是每个公民觉得是不言而喻的一个真理,不需要过多的解释。

美国的宪法200年不变,为什么?它是把科学的基本理念用在治国。既然欧几里得复杂的定理系统能够建立在几条显而易见的公理上,我们建国为什么不可以?使得每个公民根本不需要任何知识,一讲他就知道?

这样国家才能真正地牢固,这是人人生来平等,这是一个基本的原理。

自由的空气在飘扬

说到办一流的大学,大家都会想到哈佛大学和斯坦福大学这些百年学府。斯坦福大学牛在哪儿?它的校训是“自由的空气在飘扬”。

这是一个百年学府成功的前沿思想,就是学术环境一定要有自由,一不要受政治的影响,二不要受功利心的影响。

笔胜于剑

如果我要总结整个人类文明几千年的历史,用一句话来描写,我会说“笔胜于剑”,笔远远比剑来得更重要。

历史上,亚历山大征服了世界。他有两位老师,一位是他的父亲腓力二世,教他怎么用武力征服已知的世界。另一位老师叫亚里士多德,同样教他改变世界,不是用武力,而是知识,真正把人类的知识彻底整合,彻底征服。

所以亚历山大有两个改变世界的志向:一是征服人类已知的世界,他打到阿富汗时痛苦一场,认为下面没有可以征服的地方;二是亚历山大图书馆,他的目标是收集人类所有的书籍。

他征服过来的帝国,在他过世一年之内就全部崩溃,但他真正给人类文明留下的是亚历山大图书馆,由于信息极端密集,也吸引了很多学者汇聚,影响了人类历史。

这个道理很简单,但大家在用的时候,往往不知道它的深意,希望大家能通过这些故事深入思考。

隐形的手

如果讲起经济学,也要有一句话,我想就是亚当斯密所讲的,“市场是一个隐形的手”。

这句话的道理,我想大家已经讲得很多,但是做起来,往往会不太明白,尤其是政府在做事情的时候,往往就有一个无形的手就会变成一个有形的手。

但是这个道理非常的深刻,你在用有形的手干预市场的话,很短时间内可能会有些效果,但肯定不能打造百年老店,不可能形成千年思想。

大道至简

刚才这些都是西方人留下的思想,我们中国千年的文明,留下的思想哪一句应该写到信封背面呢?“大道至简”。

很多人说起谁牛,就说是专家,其实专家并不牛,把大道用简单的话讲出来,让人人都听懂,这才是真正牛的。

千年思想的确最最精华的都是大道至简,你看宇宙美妙在哪儿?E=MC²这样一个公式,能够描写小到原子,大到宇宙。真理的共通点就是“大道至简”。

讲个故事,4的根号等于几?很简单,2和-2,英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一狄拉克初中时,就觉得这个回答非常非常奇妙,为什么开根号的时候总是有一个正根,有一个负根?

他突然想到把这个原理推广了一下,就说宇宙上面所有的基本粒子,都有个反粒子,有个电子就有个反电子,有个质子就有个反质子,有个中子就有个反中子,这是个非常非常神奇的发现。

所以,科学大师,你看他为什么能够做出这些伟大的科学发现?就是他始终没有忘记“大道至简”,后来狄拉克得到了诺贝尔奖。

本文来源:混沌大学

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张首晟团队发现“天使粒子”,杨振宁称其获诺奖是时间问题

张首晟

7月21日凌晨,张首晟及其团队在美国科学杂志上发表了一项重大发现:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性Majorana费米子的存在。

这一发现,验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子。同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。

张首晟将这一新发现称为“天使粒子”。普通群众可能暂时难以理解这一发现,但是对基础物理界来说,这或将开启一个新的时代。

80年漫长的寻觅

1928年,英国理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)提出了著名的狄拉克方程式。这一发现,从理念上预言了正电子的存在,狄拉克提出:宇宙中每一个基本粒子必然有相对应的反粒子 。

狄拉克和刻在他墓碑上的方程

1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时,无意间发现了狄拉克预言的正电子。从此以后,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。

目前,正电子也被广泛应用到人类生活之中,医学影像技术PET(Positron Emission Tomography, 正电子发射断层扫描) 就是其中之一。

张首晟向凤凰科技表示:“根据以往的认知,我们似乎生活在一个充满正反对立的世界。比如有正数必有负数,有存款必有负债,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有恶魔。”

但是,在1937年,也就是整整80年前,Ettore Majorana做出这样一个大胆的猜测:会不会有一类没有反粒子的粒子,或者说它们自身就是自己的反粒子。这个粒子被后来的物理学界称之为Majorana费米子,并和希格斯波色子、引力子、磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。

Ettore Majorana

从那开始,寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

在物理学里,存在两大分支,分别是粒子物理和凝聚态物理。

在粒子物理中,标准模型范畴外的中微子被认为最可能是Majorana费米子,而且这一猜测是有可能被“无中微子的beta双衰变”实验所验证。但这项实验所要求的精度在今后的10年到20年以内都难以达到。

而在张首晟所研究的凝聚态物理中,Majorana费米子有可能作为某些新奇量子基态上的准粒子或元激发而存在。

在2010年到2015年之间,张首晟与其团队连续发表三篇论文,精准预言了在哪里能够找到Majorana费米子,继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。

他们预言手性Majorana费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。

张首晟团队搜寻手性Majorana费米子的实验平台

在以往的量子反常霍尔效应实验中,随着调节外磁场,反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台,对应着1,0,-1倍基本电阻单位 。

当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时,临近效应使之能够实现手性Majorana 费米子,相应的实验中会多出全新的量子平台,对应½倍基本电阻单位。

实验中出现的半量子电导平台

这半个基本电阻在某种意义上可以视为半个传统粒子。所以,这多出来的半整数量子平台就提供了有力的证据,证明在时空中传播的手性Majorana费米子的存在。

根据这一理论预言,来自UCLA(由何庆林、王康隆教授领导)和UC Irvine(由夏晶教授领导)的两个实验团队与张首晟教授的理论团队紧密合作,最终在所提出的器件中实验上发现了手性Majorana费米子。

发现手性Majorana费米子

他们在通常的整数量子平台之外,探测到了张首晟团队预言的半整数量子平台。随后的强磁场实验与三端电阻测量进而有力的排除了其他可能的实验噪声与假象。

基础物理与应用的“双突破”

张首晟将发现的手性Majorana费米子称为天使粒子,这一灵感来自于小说《天使与魔鬼》。在Dan Brown的这部小说中,正反粒子的碰撞会将所有质量以能量的形式释放出,从而湮灭整个世界。

而天使粒子的发现,就好像发现了一个完美的世界,这里只有天使,没有魔鬼。

张首晟告诉凤凰科技,天使粒子最重要的意义是改变了基础物理,因为它改变了人们一直认知的正反对立的世界观。

对于每一位物理学家来说,基础物理的研究都是一段极为漫长的过程。一个重大的发现往往需要50年甚至100年的时间,有发现已经是幸运的。也有很多人,可能倾注毕生,最终也没有所获。

1927年第五次索尔维(Solvay)会议参与者(摄于比利时索尔维国际物理研究所)

  任何科学的发现,都是站在巨人的肩膀上。张首晟表示,天使粒子的发现,也是建立在量子反常霍尔效应以及拓扑绝缘体的基础上。

不仅如此,不同于其他基本科学从发现到技术应用往往需要多年时间,天使粒子已经可以看到其实际应用的前景。  

量子世界本质上是并行的,一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算,远比经典计算机有效。

然而,一个量子比特的信息非常难以存储,微弱的环境噪声都能够毁灭其量子特性。但Majorana费米子没有反粒子,或者说相当于半个传统粒子,便提供了一种绝妙的可能性:一个量子比特能够存储在两个距离十分遥远的Majorana费米子上。

如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子,进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。

也就是说,Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机,使得有效的量子计算成为可能。

张首晟表示,原先大家已经认为量子是最小的单位,而天使粒子使得一个量子单位可以拆为两半,让量子变得更稳定。

现在,这项科学已经可以开始应用。“谷歌和微软已经提供了支持,未来,在国内也会开始进行应用。”张首晟说。

项目负责人张首晟——获得诺奖只是时间问题

几天前,张首晟回到北京为其恩师杨振宁庆祝95岁寿辰。

1963年出生的张首晟,17岁便前往德国柏林自由大学学习。他学的是理论物理专业,这也是杨振宁的专业。

但理论物理的就业面太窄,张首晟一度开始担心自己的前途。但当他来到哥廷根大学附近的一块墓地,看到里面埋葬的一些物理学家都是用其生前发现的公式作为墓志铭,这深深震撼了张首晟。

自此,“用一个公式概括整个世界”成为张首晟的梦想,也让他决定将毕生的精力都贡献给物理学研究。

还有一个选择对张首晟产生了深远的影响。当年在柏林自由大学学习时,张首晟一直将大统一理论当成自己的学术目标。因为这是爱因斯坦努力一生的事业,也是杨振宁的领域。

1987年张首晟博士毕业时与杨振宁的合影

但是当他师从杨振宁时,杨振宁却鼓励张首晟去研究凝聚态物理。杨振宁认为他自己所处的领域要想有所突破已经很难,而凝聚态物理刚刚兴起,发展很快。

最后,张首晟在杨振宁的指导下,开始在凝聚态领域工作。

张首晟2012年获得狄拉克奖

接下来,1996年,年仅33岁的张首晟被评为斯坦福大学终身教授。随后,凭借拓扑绝缘体和量子自旋霍尔效应两项理论的发现,张首晟于2010年获得欧洲物理奖;2012年获得美国奥利弗巴克利奖和狄拉克奖;2014年获得美国富兰克林奖。

张首晟多年被汤森路透预测会得到诺贝尔奖,杨振宁则评价“他获得诺贝尔奖只是时间问题”。不知道天使粒子的发现,是否能让张首晟众望所归。

延伸阅读来源:凤凰科技

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