作者：白露为霜当老利兰-斯坦福(Leland Stanford)开始构想、设计斯坦福大学的时候，他坚持要让学校的第一栋科学楼 – 化学试验室远离学校中心的“四合院”(QUAD)。他很担心化学试验会出意外，导致起火或爆炸将学校夷为平地。老斯坦福是对的，科学家们的确会做一些危险而发疯的事情，但把化学系流放出去却是一个错误。物理系其实更危险。
你或许听说过反物质。这种由反粒子构成的东西非常奇异，当物质与反物质相遇时会发生剧烈爆炸，有一个专用名词：湮灭(annihilation)。人人都知道核爆炸威力巨大，也只有一部分物质转变为能量。湮灭则不同，物质与反物质都完全毁灭，产生的能量要比核反应要大的多。如果你是Star Trek(中文翻译为“星际迷航”)的铁杆粉丝，你就会知道飞船“奋进号”(Enterprise)使用的就是反物质推进引擎，可以轻松地进行星际旅行。
如果你认为反物质只有在科幻小说中存在，你就错了。其实，在美国旧金山湾区人口最稠密的地区，在斯坦福大学，物质与反物质湮灭的事件不断地发生，这是大多数硅谷居民做梦都没想到的。280号公路是硅谷的一条大动脉，每天车流滚滚，风驰电掣。很少人知道的是在离Sand Hill出口不远的地方，一束束电子或正电子在地下数米处横穿280公路，撞向目标 - 另一束迎面飞奔而来的粒子。
这就是著名的斯坦福线性加速器(Stanford Linear Accellorator Center, 简写SLAC)。SLAC拥有世界上最长的2英里直线加速器。将代电粒子加速到很高速度，让它们相互碰撞，然后观察会发生什么事情，这就是加速器最重要的目的。当一个电子同一个正电子(电子的反物质)相撞会发生什么？对了，火光四射，e+e低能湮灭时会产生出伽马射线。可当电子或正电子被加到很高的速度再相撞，各种古怪奇异的东西会产生出来，有时是W玻色子(W boson)，有时是Z玻色子(Z boson)，甚至胶子(gluon)，质子。SLAC并不是最大的加速器，但它的尺寸和设计很适合产生和研究Z玻色子。
很久以来我一直很想去SLAC参观，可平常有门卫把守，要想进入唯一的方法是参加中心的公共讲座(Public Lecture)。这次同SLAC的邂逅，虽然没有机会参观加速器内部设施，却碰巧遇上了斯坦福物理学家张首晟，有幸聆听他讲述材料物理领域的新发展，受益非浅。
空中鸟瞰SLAC(网络照片)
斯坦福线性加速器中心
1962年，世界上最长最直的建筑 - 直线粒子加速器在斯坦福大学西部丘陵中开始动工建设。早先被称为“M项目”，M取义“怪物”(Monster)，科学家利用它将电子加速到接近光速来进行亚原子粒子的研究。斯坦福大学将土地租给联邦政府用于建造加速器中心，并提供了脑力支持；能源部则提供财力和管理上的帮助。这种合作方式从1966年加速器建成一直延续至今，取得了丰硕的成果。
我的物理知识基本上还停留中学课本上学到的：原子包括原子核和围绕的电子，原子核则是由不同数量的质子和中子构成。至于质子和中子是什么组成的，书上没有讲。其实当时的物理课本已经落伍了，1968年SLAC的科学家在用高能电子束轰击质子时就发现还有更小的实体存在。
这项发现对当时粒子物理的观念产生了强烈冲击。后来证实这些神秘实体就是所谓的“夸克”(quark)。为此，SLAC的两位研究人员和一位麻省理工的科学家共享1990年的诺贝尔物理学奖。
在1975年，斯坦福线性加速器中心的物理学家Martin Perl宣布发现了τ轻子–电子的一个较重的亲戚，基本粒子一个新家族的第一个成员。为此他获得了1995年诺贝尔物理学奖。
除了在科学上的发现之外，SLAC对硅谷的发展也起到过直接的作用。1974年，一群湾区的电子爱好者成立了“家酿计算机俱乐部”(Homebrew Computer Club)，它在个人电脑发展的早期中起过关键性的作用。苹果创始者的史蒂夫·沃兹尼亚克(Steve Wozniak)是俱乐部最早的成员之一。俱乐部中有一位SLAC的工作人员，于是SLAC演讲厅成为俱乐部活动的地点(当时保安没有现在这么严)。沃兹和苹果的另一个创始者乔布斯曾经在俱乐部会议上试图推销他们的产品 – Apple I。未果。这段历史也展示了硅谷的独特的成功秘诀 - 学术界，工业界，科技爱好者，以及公众的水乳交融。
张首晟离诺贝尔奖还有多远？
尽管平常是重兵把守，但每隔一两个月，斯坦福线性加速器中心就会敞开大门，用一场精彩的讲座来答谢社区人士的支持。这些讲座介绍在科学前沿所发生的激动人心的事件。从钻石的纳米技术，到最新的希格斯玻色子(higgs boson)的发现，加速器中心的公开讲座成为普通民众了解科学发展的一个难得的渠道。
参加这类讲座的以退休人士为主，很多人以前是科学家，工程师，等等。再有就是斯坦福或周围学校的大学生、研究生。偶然也有家长带着孩子来。能听懂多少很难说，但他们愿意把孩子带来还是值得称赞，没准孩子会受到启发，讲座也成为影响一生的重要事件。
张首晟教授在这场题为“电子高速公路”(Electron Superhighway)的讲演中首先提到硅谷所面临的危机 – 其赖于生存的“摩尔定律”(Moore's law)已经无以为继。当巨量的晶体管被挤进大规模集成电路时，耗能和散热的问题无法解决。以硅为基石的现代电子行业已经走到了尽头。
张首晟提出的解决方法是让流往一个方向的电流有自己专用的通道，就像在高速公路上开车一样。听上去简单，要实现这个目标需要一种全新的材料来替代硅。接下来讲的是他自己的方向：拓扑绝缘体(Topological Insulator)、量子自旋霍尔效应(Quantum spin Hall effect)，以及高温超导等领域的研究。要准确介绍这些概念超出我能力范围，有兴趣的读者可以观看张教授的
Youtube讲演 录相，是相当激动人心的。在演讲快结束的时候，张首晟提出了大胆的预测：一种以单层锡分子制成的材料叫Stanene具备所有想要的特点 – 可在室温条件下成为拓扑绝缘体。
如果他的预言成为现实，这种材料可以用在大规模集成电路中，进而解决现有材料无法逾越的耗能和散热的问题。他甚至开玩笑地建议，如果成功应该把“硅谷”改名为“锡谷”(Tin Valley)。
张首晟1963年出生于上海，1978年时他只是初中生，跳过高中，直接考入我的母校-复旦大学。按照他自己的说法，高中那点东西都是自学的。张首晟并没有在复旦待很久，他在1980年赴德国柏林自由大学留学一直到获硕士学位。后赴美国纽约州立大学石溪分校(State U of New York at Stony Brook)深造，在扬振宁的建议下转攻材料物理，1987年获博士学位(他并不是扬振宁正式的学生)。从1993年起，张首晟任教于斯坦福大学。
张首晟与扬振宁(网络照片)
拓扑绝缘体原本是一个生僻的物理概念，近年来却变成异常火爆。连当红美剧“生活大爆炸”(The Big Bang Theory)里的主角肖登(Sheldon Cooper)都曾给过一个拓扑绝缘体的讲演(
当然是搞笑的 )。除了张首晟带领的斯坦福的研究团队之外，普林斯顿大学，宾西法尼亚大学等机构都有科学家在做同一方向的研究工作。不同小组你追我赶，一时还很难看出谁是最后的赢家。
张首晟的工作也让他频频得奖，以至于有人坚称他是下一位获得诺贝尔奖的华人。作为科学家，主要目标是解决一个问题，发现前人没有发现过的东西，至于得奖与否不应该是主要的考量。但话又说回来，我觉得他的确很有可能得奖。张首晟做的工作肯定是诺贝尔级别的；但能不能得奖，什么时候得奖，现在预测可能还为时过早。比如SLAC的科学家在1968年发现了“夸克”，直到20多年后的1990年才得奖，更不要说还有许多重要发现没有获奖。张首晟应该说是非常幸运的，在中国教育界学术界有机会污染他之前就离开了中国，研究生时有名师指点，自己的研究方向又赶上大发展的时期，一路都是福星高照。
诺贝尔奖是中国人永远的痛。如果把文学奖，和平奖除外，现有的八位华人诺奖科学奖获得者要么是解放前出国的(李政道，扬振宁，崔琦)，要么是香港台湾或国外长大的(丁肇中，李远哲，钱永健，高锟，朱棣文)。这同中国在教育、科学的投资不成比例，跟中国的人口更不成比例。国人一直在问，为什么还没有新中国出来的华人获得诺贝尔科学奖？这是个非常好的问题，你们说是什么原因呢？
我觉得很重要的一个原因是时辰未到。中国开放之前科学很落后闭塞，希望只能放在改革开放后的进大学的人才身上。这些人现在还在出成绩的阶段。让我们乐观一点，假设张首晟能顺利地在5年内即2019年获得诺贝尔物理学奖。届时他离1978年考上大学也过去了40年了。中国有句老话“十年树木，百年树人”，打造一个诺贝尔奖获得者就是要这么长时间，没有什么捷径可走。
白露为霜注：几年以前，我曾经翻译过一篇美国国际物理奥林匹克金牌得主Brian Zhang(张晨波)的文章，见“
美国孩子是怎样参加国际物理奥林匹克的 ？”。你猜张晨波是谁？张晨波原来是张首晟的儿子。将门出虎子，一点都不假。
张首晟的讲座“电子高速公路”
SLAC大门口
SLAC讲演厅
张首晟在讲演中
信息时代的摩尔定律
讲演厅外的雕像
加速器巨型的探测器(网络图片)
直线加速器的管道(网络图片)
VIDEO 
发表于 2014-3-13 15:29:26
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