2018年12月1日，著名華裔物理學家張首晟教授意外去世了，這個消息震動了海內外，因為大家之前都不知道張教授已經被抑鬱症困擾了多年，他的去世無疑對人類的科學事業是一個巨大的打擊，張首晟的恩師楊振寧先生曾經說過，他獲得諾貝爾物理學獎只是個時間問題。
如今這樣一位充滿睿智的科學家去世了，很多人可能通過新聞才第一次知道他，大概因為張教授研究的是理論物理院學最前沿的領域，科研成果很少在現實中能被應用，但是這些都不妨礙他的科技貢獻的重要性，因為500年後的人類世界，可能就是建立在他的研究成果上的，今天就讓我們來了解下張首晟教授充滿智慧閃光的人生歷程，還有他研究的科技到底對人類的未來有什麼樣的影響。
一 他的人生就是一場終極探索
1963年，張首晟出生在上海，從小喜愛閱讀各種書籍，經常躲在家中的閣樓裡埋首讀書，雖然他日後是科學家，但是早期他讀的最多的是人文類的書，他自稱最喜愛的是哲學類的書籍，這對他日後的科研也有積極的影響，他經常會把哲學的思考引入科學的研究，從而獲得啟發與靈感。
15歲初中還沒讀完，父親就送給他一套數理化自學叢書，他如獲至寶的讀了一個暑假就全搞懂了，恰逢1978年恢復高考，他就去參加了，居然考上了復旦大學物理系，一時間被眾人稱為神童，其實只有他身邊的人知道，神童的稱號除了天資聰慧以外，幫上最大忙的還是他的強烈求知慾與定力。
1978年高考恢復，每天有大量青年等候進入圖書館學習
1979年，這位17歲的大學生就因為學業出眾，被推薦去德國柏林自由大學深造，四年後就獲得了德國柏林大學碩士學位。張首晟曾經也對自己的人生方向有過疑慮，擔心從事理論物理研究就業面會很窄，但是又一次他途徑一個葬有多位科學家的墓地，看見墓碑上的銘文都是那些科學家生前研究出的數學公式，他被深深的震撼，徹底堅定了要在理論物理學的世界裡鐫刻下自己的公式的願望。德國大學的碩士顯然不是張首晟求索科學真理的終點，他仰慕著名華裔物理學家楊振寧，因此前往紐約州立大學石溪分校，師從楊振寧學習，1987年成功獲得物理博士學位。
張首晟早年求學時與恩師楊振寧的合影
1993年張首晟前往美國西海岸，進入著名學府斯坦福大學擔任副教授，2年後依靠過人的才華成為斯坦福歷史上最年輕的終身教授之一。斯坦福良好的學術氛圍，雄厚的科研資源，讓他在理論物理學的世界中遨遊進取，震驚世界的科研成果水到渠成。2006年他帶領的團隊理論語言了"量子自旋霍爾效應"，2007年與德國科學家合作，通過實驗成功驗證了理論，當年被權威科學雜誌《Science》評為年度十大科學進展。之後，張首晟的科研井噴成熟期陸續開花結果，他又在拓撲絕緣體領域成為全球的頂尖專家，陸續獲得世界各國頒發的眾多獎項，以他的科研實力，日後獲得諾貝爾物理學獎，真的就如同楊振寧的說法，將會順理成章。
張首晟幾乎囊括了所有物理界重要獎項
張首晟從中國上海走向世界，從來沒有忘記過祖國，2013年他當選為中國科學院外籍院士，入選千人計劃，並被清華大學聘為教授，帶動了中美兩國最尖端科研人才的互相合作與交流，推動了中國最前沿理論物理的發展。他曾經和自己的斯坦福學生谷安佳博士聯合創立了丹華資本，已經有9000萬美元的資金規模，全球範圍已經投資了12家高科技企業，其中不乏在中國的前沿科技企業。他一直呼籲中國在應用科學開展的紅火之外，仍然要加強理論創新科技的研究力度與資源投入，可謂是真知灼見。
回顧了張首晟教授大致的科學求索之路，我們就能發現，他一生探索的是理論物理的邊界，使用的工具是高深的數學模型與公式，就像他自己說過的，他的辦公室其實很簡單，只有一張紙和一支筆，不是外界想想的那種堆滿科研器材與昂貴設備的樣子，那麼他的科技理論成果，為什麼說對人類的未來卻是至關重要的呢？這是今天我們要一起努力探究的。
牛頓的《自然哲學的數學原理》是張首晟最喜歡的著作之一
二 天使粒子開啟人類未來
為什麼說張首晟某種程度上是開啟人來未來科技的一把鑰匙？關鍵就在於他參與發現的"天使粒子"，這可能是他人生中最重要的科學發現，這裡有必要詳細的解釋下天使粒子與未來人類科技的重要關係。
1937年，意大利天才科學家馬約拉納提出了一個理論，雖然自然界所有的粒子，基本都存在相對應的反粒子，比如有一個正電子，就會有一個反電子，這與哲學領域中的陰陽相對理論異曲同工，但是馬約拉納認為，一定存在一種粒子，這種粒子沒有反粒子，或者說這種粒子本身就包含有正反粒子於一體。意大利科學家提出這個理論後不久，就神奇的失蹤了。
意大利科學家埃託雷.馬約拉納最早提出“天使粒子”的概念
馬約納拉的理論，從很早起就吸引了張首晟強烈的興趣，經過長年的研究，終於在2017年，張首晟與他的團隊一起向全世界發佈了重大消息，他們發現了"手性馬約拉納費米子"，也就是意大利科學家80年前提出的那種粒子，張首晟把這種沒有反粒子的粒子成為"天使粒子"，間接證明了存在一種比量子還小的單位，這對已有的量子理論將帶來巨大的改變。
張首晟發現的天使粒子，與人類未來為什麼有關？很簡單因為這個天使粒子是諸多未來技術成功應用的先決條件，先說一下與天使粒子直接牽涉到的科技領域，總共有：量子計算機、人工智能、大數據、區塊鏈。天使粒子怎樣開啟人類的未來科技，怎樣為他們奠基，讓我們下面來仔細的瞭解下。
張首晟從丹布朗的《天使與魔鬼》中獲得新發現的粒子名字的靈感
首先得說一個概念：單獨的科學技術往往無法具體應用，當其他科學技術發展了之後，共同發揮融合的作用，人類才能在科技的協同中獲得科學整體的上升發展。打個比方，開採鐵礦石中國人早就掌握了，但是直到春秋戰國時代，鍊鐵燒炭的吹風機皮囊技術發展了之後，才真正實現冶煉鐵礦石的大規模運用。今天談的未來科技方面也一樣，天使粒子是開啟偉大的人工智能的前提基礎科技，就好比是鍊鐵中的皮囊吹風機技術。
人工智能，給張首晟的說法，從第一性的原理看，也就是從根本的原理看，最重要的是要讓人工智能能有自發的科學研究的能力。在張教授團隊的一個項目中，已經能使人工智能從大量的化學方程式中自己提煉出元素週期表。張教授認為，目前的人工智能還處於一個原始的階段，很多都沒有從根本上遵循第一性原理，只是粗淺的用計算機去模擬人類的聖經細胞元結構。
天使粒子證明了有比量子更小的粒子
那麼問題來了，為了開發出真正的人工智能，就必須首先有超級巨量的數據去給人工智能學習，其次需要有超級強大的計算機提供人工智能運算能力去學習。然而，目前的傳統經典計算機是能力不夠的，超級巨大的大數據共同體也是不存在的。那麼怎麼解決這兩個問題？靠兩個東西：1 量子計算機 2 區塊鏈。 天使粒子就是讓量子計算機能誕生的一把鑰匙，否則其他一切無從談起。
什麼是量子計算機的原理？目前人類用的計算機被稱為經典計算機，靠芯片運算，芯片的原理其實很簡單，理論上採用二進制，使用數字0與1來表達所有的信息，然後去儲存。物理上呢，採用芯片中密密麻麻的晶體管，讓電子在這些晶體管內部與外部遊走，通過對電流的控制，利用電子去儲存數字0與1。但是傳統計算機有個問題，雖然遵循摩爾定律，一直在進化，擴大運算能力，但是晶體管越做越緊密之後，已經迎來了物理極限，不可能再精巧了，運算能力客觀上說已經到頂。那麼只用尋找另外一種儲存辦法，用量子去儲存數字信息。這裡又有一個難以突破的問題，量子的獨特平行特性。
愛因斯坦與普朗克都在這張著名的合照之中
什麼是量子的平行特性？ 簡而言之，用一顆量子去轟擊兩個孔洞，如果是電子或者其他更大的粒子，最終只可能穿過其中的一個孔洞。但是量子很奇怪，它是處於一種平行宇宙狀態中的粒子，如果一個觀察者不去觀察這兩個孔洞，那麼，量子能同時轟擊在兩個孔洞之中，一旦去觀察，觀察的行為能決定量子最終打到哪個孔洞之中。這就是量子領域著名的雙縫實驗現象。
量子計算機如果用量子代替電子來儲存數字0或者1，那麼因為量子的平行性與不確定性，一個確定的存儲信息，越複雜就會有無限量大的錯誤的信息，那麼要計算機再去排除這些錯誤信息，需要天文數字一樣的運算量，物理設備很難跟上這麼大的排除錯誤的處理量。
晶體管芯片已經接近了物理極限
然而天使粒子的就能解決這個問題，因為天使粒子沒有正反粒子的區別，所以一旦用2個天使粒子去轟擊孔洞或者存儲位，這兩個天使粒子之間存在量子糾纏，所以只要牽動一個就能帶動另一個，便於識別避免了量子平行特性，所以不會產生巨量的錯誤信息量，因此物理設備是能實現量子計算機的運轉。
一旦量子計算機成為現實，人工智能的超級運算能力就能實現，那麼再建立充滿人類幾乎所有大數據的，平等的去中心化的區塊鏈網絡，那麼人工智能能開始很好的學習所有的數據與信息，最終就能實現符合第一性原理的自我學習能力，這將是人類的未來的智慧爆炸時代的到來，因為人工智能代替人類去跟高效的學習，進而產生新的科學研究成果，那將是無法想象的指數化進步的時代。
如果張首晟教授的理論最終能落實，可以想象一下人類文明無比燦爛的未來：人類可能不用再自己去研究科學，因為有人工智能為人類探索並研發人類都沒有獲得的全新科學成果，人類只需要服務好自己搭建的人工智能體系，維護好人工智能學習的根基龐大的區塊鏈數據網絡。人類未來所有的技術與科技都能靠人工智能這顆種子自發的發芽生長出來，那將是文明的極致狀況。或許500年後，當人類真的實現了這樣的狀態，人工智能會冷靜的提醒人們，如今的科技繁盛不僅僅可以追溯到人工智能符合第一性原理下的誕生之日，而是可以再往前追溯到1970年代的上海，那個在閣樓學習數理化的少年張首晟。
遵循第一性原則的人工智能是未來科技爆發的希望
THE END
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