19 10 2018

华人物理学家张首晟:拓扑绝缘体材料将延续摩尔定律时效

  未来的世界,是科技在改变生活;未来的中国,是科技在重塑增长。2017年伊始,网易科技联合“未来论坛”推出“十大顶级科学家预言未来”系列策划,独家专访了人工智能、生命科学、物理学、天文学、化学等近十大领域最顶尖的华人科学家,倾听他们对未来的预言。在这些预言的背后,他们凭借着自己的深厚学识,发出对人类未来的期盼之声。

  “十大顶级科学家预言未来”第九篇:专访斯坦福大学物理系、电子工程系和应用物理系终身教授,美国国家科学院院士, 中国科学院外籍院士,华裔科学家张首晟。

  他是个“神通”,直接跳过高中,自学从初中进入复旦大学;他师从杨振宁,被认为获得诺奖只是时间问题;他开创了拓扑绝缘体这个全新领域,发现了“量子自旋霍尔效应”,包揽了物理界所有重量级奖项;他被聘为斯坦福大学物理教授,成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一;他还极具商业头脑,创办了“丹华资本”。他就是华裔科学家张首晟。

  1、拓扑绝缘体这个材料可能会真正走向工业化,现在还基本上在比较基础研究的阶段。

  2、锡烯是更革命性的突破。在科学上是更革命性的突破,但是科学最终能不能转成技术,它有很多各个不同的因素在里面,有一些商业的因素在里头,这是比较难预言的。

  3、人工智能的确是会彻底改变世界;不要只是把人工智能看成是取代工作,它也会创造工作;如果实现真正的人工智能的运算,一个手机将会抵得上是个或者一百个大脑。

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  与张首晟沟通过的人一定会感慨他惊人的语速,在你还没有问完问题的时候,张教授已经开始回答你的问题。而每次问到他研究的领域,都可以滔滔不绝。张教授全球首个提出“拓扑绝缘体”的理论,对于这理论,喜欢美剧《生活大爆炸》的一定不会陌生,谢耳朵代课时用一贯的傲气问到台下的同学,谁知道什么是拓扑绝缘体。没错,这一理论就是由华裔科学家张首晟教授首先提出来的。

  在张教授看来,“拓扑绝缘体”的提出可以让整个信息社会继续按照“摩尔定律”的规律往前推进,那么,手机形态将会彻底改变,续航问题将会被解决。谈到手机续航问题,在石墨烯有了重大突破进展的同时,张首晟教授他们发现了他的邻近兄弟——锡烯。张首晟教授认为,锡烯在科学上将是更具革命性的突破,不过,锡烯目前更多的是停留在实验室阶段。

  对于未来的期许,张首晟教授认为,拓扑绝缘体这个材料将会真正走向工业化,而目前人工智能已经有了很多的突破。作为丹华资本的发起人,张首晟教授对人工智能、大数据、网络技术、增强现实以及生物医疗、无人驾驶等领域进行了投资。张首晟教授认为,人工智能将会彻底改变世界。对于大家对未来人工智能以及机器人的发展可能会取代人类的恐慌,张首晟教授认为,人工智能确实会取代一部分工作,但同时还会创造一些工作。

  在对科学的研究中,张首晟教授总是会提升到哲学高度,对于枯燥的科学研究,张教授是享受的,因为他在错综复杂的大自然中总结出了规律,而这些规律非常的简单,优美。张首晟教授经常说的一句话就是,大道至简,宇宙中最深奥、最普世的规律都非常的美妙。

  在小学生科普方面,张首晟教授用一句话总结道:你如果要教一个孩子怎么造船,你不要一开始给他很多图纸看,你一开始要给他一个大海的梦想。

  网易科技:我第一个问题想请您介绍一下,您现在当前正在进行研究的这个领域,这个研究到底是会给人们的生活还有社会带来怎样的改变。

  张首晟:现在我们整个信息社会按照所谓的摩尔定律往前推进,摩尔定律就是我们的计算能力每过18个月就翻一次倍,在过去一直按照摩尔定律进行。在元器件上衡量的话,也就是在同样面积上的三极管每过18个月翻一倍,所以集成度在极具的增长。但是每一个三极管工作原理并没有改变,所以它们所散发出来的热量也是差不多的,所以你如果把三极管每过18个月翻一倍的话,它们整个芯片要散发出来的热量也是每隔18个月翻一倍,这样集成下去的话,它就是没办法再继续集成的,因为再下去芯片会烧掉。所以这是我们信息社会面临的最大一个挑战。

  张首晟:对。但是这个挑战也是一个机会,因为我们讲危机危机,是危也是机。就是之所以电子芯片会导致发热,用一个比喻就可以很好的解释:在赶集的集市,想象你是一辆跑车,它在赶集的时候始终在碰撞,如果不能散发热量就会受到阻碍。所以我的研究简单来讲,就是把电子芯片能够按照高速公路的车道运行,它能够各行其道,互不干扰。就相当于,在右边我们可以尾灯,这个车往前走,在左边的话我们是往前开,如果能把高速公路的运动模式实现在电子芯片层次的运动模式,我们真正意义上有一个新的工作原理,使得摩尔定律能够往前推进。

  网易科技:如果这个研究成功的话,可以给整个信息技术产业带来怎样的改变呢?

  张首晟:过去50年已经都是每过18个月计算能力都翻一次倍,但是如果没有这个技术,就是说最可怕是没有这个技术的话,整个信息社会就等于会停止发展;但是如果有这个技术的话,它就继续能够往前推进下去,现在的手机,就是等于几年前的超级计算机,我们现在已经觉得对着手机讲话,都能够翻译就能够翻出来,这些事情本来是要大型的计算机才能做出来的,现在小型的手机都能做。所以这个飞速的增长,是我们整个信息社会已经是把它看成是一个根本的定律,所以科学领域的研究,就是能够把这个信息社会继续按照摩尔定律的规律往前推进。

  我们具体能够达到这一点,是发现了一个特殊的神奇的一种材料,它叫拓扑绝缘体。

  网易科技:这个可以改变我们目前来说这个手机的形态吗?因为其实目前智能手机已经处于一种瓶颈期了,目前的形态大家都没有任何突破,就连苹果都没有任何突破了。

  张首晟:对,比如说最明显的一点,比如说给智能手机充一次电,就能够打一星期。

  网易科技:您正在对锡烯有一些研究,但其实前一阵石墨烯技术有了一些新的消息,其形态在向前推进。所以我想问一下,您研究的锡烯和石墨烯的关系如何,未来两者的前景怎样?

  张首晟:石墨烯和锡烯,原子结构都是类似,就是都是由一个原子层产生。这个原子层从上面看上去就是一个蜂窝的状态,所以在原子结构来看起来是非常类似的。

  但是它们的电子行为是完全不一样,就是在石墨烯里面,电子还是杂乱无章,但是在锡烯的话,电子只在边缘运动,并且按照车道运动。就是原子的排列一样,但是电子的运动模式不一样。

  张首晟:我想大家现在都在研究的状态,但是可以明显的讲,锡烯是更革命性的突破。在科学上是更革命性的突破,但是科学最终能不能转成技术,它有很多各个不同的因素在里面,有一些商业的因素在里头,这是比较难预言的。

  网易科技:因为前几年的时候,大家一直在说石墨烯会带来一个很革命性的改变,石墨烯会有很多的企业在支持,就是像锡烯这方面,您有一些更多的商业力量在推动吗?

  张首晟:是这样的,它们时间上有很大的差别,石墨烯是2005年发现的,但是锡烯是我们三年前在理论上预言的,是最近才刚刚做出来,所以这个时间相差很多,所以锡烯更多是在实验室里面,那个石墨烯当然由于时间比较长了,就是后来居上还是锡烯。石墨烯是2005年,所以它有一个技术上的积累,但是锡烯是更加革命性的,科学上的突破,但是它时间上是要晚十几年,晚差不多十年吧。

  张首晟:就是拓扑绝缘体这个材料可能会真正走向工业化,现在还基本上在比较基础研究的阶段。但是像我刚才讲的,如果手机充一次电打一个星期,也是一个很大的想象。

  另外就是能够想最好一个手机就是它的功能比一个人的大脑都来得大,现在人工智能已经有很多的突破,但是真正要做人工智能的运算,它要在大的机房里面才能够正式来,要大的数据中心,今后我们的技术成功之后,就基本上一个手机就是抵得上十个或者一百个大脑。

  网易科技:其实您除了在物理学有研究之外,还有丹华资本的创始人,对新材料、新能源还有可穿戴设备都是有一些研究的。您目前所投资的有哪些些项目?

  张首晟:主要在人工智能的领域。至于我们投的有人工智能、大数据、网络技术,增强现实、虚拟现实,有金融科技和生物医疗。

  网易科技:您能方便介绍一两个您投资的,在科研领域比较靠前的这些项目吗?它的一些进展或者什么的?

  张首晟:我们投资AutoX公司,在无人驾驶上面有重大突破性的技术。通常的无人驾驶需要非常精准的地图,甚至要三维的地图,另外它也需要有特殊的设备,就是比如说激光雷达,我们投的那个技术,它不需要那些特殊技术,也不需要特殊的设备,这个对人工智能的要求会来得更高。

  另外就是我们在增强现实上投了一家非常优秀的公司,叫META,就是你穿戴了这个设备之后,它就是能够把虚拟和现实全混在一起,就是比如说我有了这个设备之后,今后手机也不要了,电脑也不要了,戴上这个眼镜的话,面前就会显出一个手机在我的眼镜里面,然后我用的时候,用自己真正的手可以去拨号,所以这就是真实和虚拟的一种混合。这个手机是虚拟的手机,但是我的手指是真正的手指,但是我真正的手指其实可以拨这个虚拟的手机拨号。

  比如说我们两个之间在电话,我们要来下象棋,我们就在我现在的桌面上会显示出一副虚拟的象棋,也会显示出一个虚拟的你,虽然在中国,但是好像就坐在我对面,然后我用手下那个象棋的时候,我是用的真正的手,但是你是一个虚拟的你,象棋盘也是虚拟的象棋盘,象棋也是虚拟的。

  现在,我们可以进行非常好的互动了。所以这个现在世界上就是两家,一个是微软Hololens;另外一家就是我们投的公司叫META。

  所以大家如果看,这里你可以重点介绍一下,大家如果看计算机技术的发展,这在原先就是一个很大的一个体系,今后慢慢变成各类计算机,就会越来越个性化,越来越容易人机互动。就比如有个计算机,然后又变成一个手提的,随身可以带的计算机,然后又到了手机,接下来一步大家都认为一个人机互动的下一个亮点,就是所谓的增强型AR。

  我们投资的这公司在增强现实当中与微软最大的一个差别,就是我看东西的视角,我们的设备看出去是90度的视角,而微软的那个设备只有30度的视角。

  张首晟:我想它可能是一步一步的,现在我们最值得讨论的一件事情,就像人工智能看了很多会取代人的工作,但是同样人工智能和增强现实,它也能够创造很多工作。比如说我们现在比较需要技能的工作还是很多,但是很多教育程度不够高。比如说我戴了增强现实的眼镜的话,它最主要的,一开始可能很大一部分应用就是做那些,就是本来不需要很高技术的工作,现在可以不太有特别训练过的工人来做。

  比如我要修汽车的话,我戴上这个眼镜,本来哪个部件怎么弄,工人要学会都需要很长时间,但是现在你戴上眼镜的话,它每个部件都会给你注解清楚,你做了这一步,下一步应该怎么做,它自动也会提醒你。这样人机互动的话,就是很多需要高技能的工作,现在可以有一些比较低技能的工人来做,这样的话也会造成很多就业的机会。

  增强现实和人工智能最先应用的领域可能就是用来做培训。另外也是,在教育上面,比如说我要学医的话,人体这个也是非常复杂嘛,但是你戴上这个眼镜的话,你就是每个部分都可以,比如说我们人从来没有跑到我们自己身体里面去看过,但是你戴上这个眼镜的话,你好像就可以像一个小虫一样,跑到自己的身体里面,你的每个身体的器官,都可以把它非常生动的学清楚。

  网易科技:您刚刚提到人工智能,其实国内对于人工智能的讨论很多,大家现在目前最担心的一个就是说,人工智能还有机器人如果发展,慢慢会不会把人类都取代了,这是一个大家很恐慌的问题。

  张首晟:对,它肯定会取代一些,但是也会创造一些。这个在人类历史上也是碰到过很多,比如说地球上本来90%的人都是农民,后来有了机械的耕种之后,农民的工作好像一下就取消了,但是我们也会创造出别的工作出来。所以我们现在最主要的就是不要只是把人工智能看成是取代工作,它也会创造工作。

  有些事情,比如你现在在采访我,但是我想非常生动的跟你讲清楚我的科学研究,我们电话上感觉总是不太好,但是如果真是有增强现实的话,我们戴上这个眼镜,你在那里看电子在芯片里面是怎么运动的等等,这个你的体验就完全不一样了。

  网易科技:您曾经说过,诺奖代表了一个高度,但是个人最大的追求还是在于发现这些大自然未知的这些规律。您说这句话的时候,我首先想到的是,像这些大自然的这些规律,其实对于我们来说感觉是一个很枯燥的过程,但是您感觉好像是一个很享受的过程。

  张首晟:就是我们感到大自然一种美在这里头。比如说大自然很多现象看上去是非常错综复杂,但是你用错综复杂的规律能够用几个简单、优美的公式来代表的话,我们就觉得这是大自然的一种美。比如我们讲诗歌,诗词,本来也是人有错综复杂的心情,但是你如果用一两句诗句就能够表达出特别复杂的心情的话,我们就觉得这个诗句写得非常美吧。比如说举头望明月、低头思故乡,简单的,每个字都是非常简单,也是两句非常简单的句子,但是我们一读了之后,比如说在外面的话就想起家乡,感知就是会引起我们非常复杂的情感。

  但是大自然也是这样,大自然的奇妙就是看上去非常错综复杂,但是你用几个简单的公式就能够描写清楚,比如说E=MC?,可以小用到原子,大用到整个宇宙,这个的确是一个很伟大的,在我们看来是非常伟大,也是一个非常大自然的一种美妙。

  我今天能够发现拓扑绝缘体,跟以前发现材料的过程都不一样,以前大家都在实验室里面做试验,碰碰碰就会碰到一个偶然的发现,往往人类过去所有的材料都是这么发现的,但是这次我们用一个非常美丽的数学概念,叫拓扑学的概念,然后用理论的指导来发现了这些材料,这个对我们来讲是一个非常大的一个创新。

  网易科技:您讲了很多哲学上的东西,您认为哲学跟科学到底是一个怎样的关系。

  张首晟:自然会上升到哲学。比如说最简单来讲E=MC?,我们完全用科学的态度来看的话,我们应该做许许多多的实验来验证它,在原子层次去验证它,在宇宙层次去验证它。但是我们看到了这些这个原理之后,觉得这个简直不可思议,为什么那么简单的一个公式,能够小到原子,大到宇宙,为什么大自然会那么美妙。所以这个产生出来这种美感,就是一种哲学的一种程式的一种感受。

  我如果把大自然用两句话来总结的话,就是它又简单,又普世,或者说大道至简。宇宙当中最最深奥,最最普世的这些规律,都是非常的美妙。所以在这个层次当中,使得我们科学家更有兴趣,要追踪宇宙的真理,我们是可以寻美而求真的。所以比如说我们在做教育的时候,给青少年做教育的时候,我们只是简单的去灌注这些知识的话,他会觉得非常的枯燥,但是有的时候我在教书的时候,我反而教一点,但是在这个过程当中,让他真是给他一个梦想。

  所以我经常讲一句话,你如果要教一个孩子怎么造船,你不要一开始给他很多图纸看,你一开始要给他一个大海的梦想。

  网易科技:您感觉目前来说,中国在物理研究方面相比以前有了哪些进步,在国际上有什么样的地位?

  张首晟:这次我想在各个领域,总的来说中国还是科学研究还是比较落后的,但是在某些领域,通过跟国际紧密接轨,就是能够达到一种非常大的一个成就。就是在拓扑绝缘体这个领域,我2009年就成为了千人计划的访问教授,经常来清华访问。因为我自己是这个领域的奠基人,所以我很早就把这个领域引到中国,所以在这个过程当中,大家在交流过程当中,中国一下就在这个领域走到国际前列。

  这说明什么呢?中国的基础不差,中国的实验条件也是到了一定的程度,但是就是大家没有一种方向感。比如说有十种可以走的路,不知道到底走哪一种。我们经常讲起科学,就是讲我们集中力量来攻关,但是攻关你首先要有个目标呀,但是在科学的不确定性就是它有十个可以走的方向,你不知道到底要朝哪个方向走。所以一个大师在科学的贡献,就是他关键的时刻他会说这条路你不应该走,走这一条路。

  现在中国是需要有这样的科学家,就是能够比较有方向感,能够在一个错综复杂的环境下,他真正能够感知到应该朝哪个方向去走。就是大海航行靠舵手,就是要有个方向感。

  不能把科学看成是一个攻关的问题,因为攻关的话,有一个关就不是一个原创的科学。

  张首晟:中国肯定是慢慢会起来,比如说我现在是千人计划的访问教授,但是我刚才数了一下,差不多有七八位学者已经回到国内做教授,这样的话他们慢慢也可以把我的一些理念带回来,把国际上的一些理念带回来,我觉得中国起来应该很快。

  网易科技:其实您的导师杨振宁先生也说过对您的一个评价,他说您获得诺奖只是时间的问题,今年其实有三位学者获得了诺贝尔物理奖,大家的标题就是说,您是与诺贝尔奖擦肩而过。我不知道对于这样诺贝尔奖这些东西,您是怎么看待的?

  张首晟:今年给诺奖的,他们的工作是七十年代做的,总之因为它是科学里面最高的一个奖了,但是给诺奖总是一个时间的过程。爱因斯坦从他最早的科学发现是1905年,但是他得诺奖是1921年,所以一般来说总是要差不多要有十多年的一个过程吧。

  另外之所以诺奖含金量那么高,也就是这些科学的发现是真正通过时间考验的。当然大家有的时候会问为什么这些工作还没得诺奖等等,但是主要还是因为诺奖是科学最高奖,真正要看到它长期的影响,也要经过时间的考验。

  张首晟:我们对怎么样的科学是伟大的科学,它又要很简单,又要很普世。但是过去对付癌症的办法,就是每一种癌症我们在研究怎么来对付这一种癌症,比如说有肝癌,有肺癌,有各种各样的癌症。这样的话就是用复杂来对付复杂。这次癌症免疫治疗之所以我非常看好它,就是它非常符合我的哲学观念和方法论,它普适的方法对所有的癌症都是对的。

  怎么样呢?就是我们人身体上都有一些所谓的T细胞,照理说它是有能力把这些癌细胞出来的时候就能够杀死。但是这些T细胞身上都有个刹车,所以这个癌细胞非常狡猾,它看见这些T细胞来要消灭它的时候,它就故意发一些信号,使得这些T细胞,本来要攻癌症的这些T细胞踩了刹车,到时候就不起作用了。这次非常巧妙的治疗方法,就是把这个刹车又把它打开,这样的话就是等于用人自身的免疫能力就能够把癌症杀死,这个就是比较符合我对科学的方法论。

  因为它是非常简单,但是关键是它非常普普适,它不要对每一种癌症找一种新的治疗方法。

  1963年2月生于中国上海。1978年,15岁的张首晟在没有读高中的情况下,直接考入复旦大学物理系。之后,作为交流学生被送往德国柏林自由大学深造。1983年,获德国柏林自由大学硕士学位,赴美国纽约州立大学石溪分校,攻读博士学位。1987年,获物理学博士学位。1995年,年仅32岁的张首晟被聘为斯坦福大学物理系教授,成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一。

  开创了全新领域:拓扑绝缘体;2006年理论预言“量子自旋霍尔效应”;2007年与德国科学家合作,进行实验验证研究,被评委2007年十大科学进展(Science杂志);2008年理论预言“量子反常霍尔效应”;2010年张首晟教授获得欧洲物理奖(Europhysics Prize) ;2012年美国物理学会奥利弗·巴克利奖(Oliver Buckley奖);国际理论物理狄拉克奖(Dirac Medal and Prize);2013年物理前沿奖(Physics Frontier Prize);2013年入选中国科学院外籍院士;2014年汤森路透“引文桂冠奖”( Thompson-Reuter Citation Laureate); 2015年度富兰克林奖章。

  未来论坛背景:未来论坛由科学界、教育界、互联网界、投资界领袖于2015年之初发起,商学跨界科学传播公益平台,是中国以民间资本激励科学突破的“推动人”。未来论坛至今已形成未来科学大奖、理解未来讲座、闭门耕研讨会和未来论坛年会等系列活动。微信号:Futureforum