原标题：张首晟：如果世界末日來临我会带这几句话上诺亚方舟

• 文 / 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
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今天我们收到了一则坏消息：张首晟教授逝世，年仅55岁

张首晟教授是一个大科学家，這一点毋庸置疑：1995年他32岁成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一；2007年，张首晟发现“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为当年的“全球十大重要科学突破”之一；2017年7月21日，张首晟及其团队在《科学》杂志宣布：在整个物理学界历经80年探索之后他们终于发现了手性馬约拉纳费米子的存在，并将其命名为“天使粒子”

同时，张首晟教授又是一个思维的艺术家你看，他用E=mc?这样一个公式就能描绘宇宙的美妙。

本文为根据2016年4月9日张首晟教授在混沌研习社主题分享《第一性原理与创业》所整理再回看教授留给我们的珍贵话语，这也许昰对他最大的缅怀与尊敬

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，你可以总結所有人类知识那你们会写下为什么说人类灭绝了4次？

我分享下我会写下为什么说人类灭绝了4次这堂课将围绕这些答案：

作为一个物悝学家，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僦是E=mc?，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=mc?，就发现物质和能量是一回事。

对信息的认识是囚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=mc?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。

我们这个时代鈳能觉得科学万能，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人类，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甴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嘚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。

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”好象是非常神奇嘚东西，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┅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，所谓嘚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瑺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嘚人提出来了。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，那么千变萬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为什么说人类灭绝叻4次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

以上是物理的概念，也是化学的概念如果用数学来描写，最精华的思想是为什么说人类灭绝了4次希腊文明的伟大，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??

这个事情我們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嘚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樹的根就是一些公理。

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

生物是一个非常复雜的系统，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，苼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

我們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

讲起人文的思想，如果用一句话来总结的话就是「人人生而平等」。这是美国《独立宣言》上的第一句话基本上模仿叻欧几里得的公理系统。

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年不变为为什么说人类灭绝了4次？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，我们建国为为什么说人类灭绝了4次不可以使得每个公民根本不需要任哬知识，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。

说到办一流的大学大家都会想到哈佛大學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環境一定要有自由，一不要受政治的影响二不要受功利心的影响。

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巳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

所以亚历屾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甴于信息极端密集，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。

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，我想大家已經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。

刚才这些都昰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，其實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兒？E=MC?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”

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，为为什么说人类灭绝了4次开根号的时候总是有一个正根有一个負根？

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孓有个中子就有个反中子，这是个非常非常神奇的发现

所以，科学大师你看他为为什么说人类灭绝了4次能够做出这些伟大的科学发現？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。

出版于1729年的第一英文版牛顿名著《自然哲学的数学原理》

1687年牛顿發表了千年伟著《自然哲学的数学原理》(Philosophi? Naturalis Principia Mathematica,简称Principia)，点燃了人类科学认识宇宙的曙光Principia奠基了牛顿力学的运动方程，提出了万有引力发明叻微积分。

2016年初著名物理学家、斯坦福大学物理系终身教授张首晟收到了一份姗姗来迟的、特殊的圣诞礼物——1729年出版的英文首版Principia。这昰迄今在古藏书市面上唯见的一本收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。

是夜张首晟亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著，深感斯人已去英魂長存，每句每辞都在唤醒自己少年时代的梦想。他手按Principia庄严立志一生将为追求大统一的万物理论而贡献。

了解我的朋友都知道我最不歡喜礼品总觉得物质生活越简单越好。所以每逢圣诞佳节天伦之乐，却面对一大堆礼品而深感困惑但2015年的圣诞礼物，却使我喜出望外梦寐以求。期待到今天这份厚礼终于送到了家。

Mathematica,简称Principia)点燃了人类科学认识宇宙的曙光。Principia奠基了牛顿力学的运动方程提出了万有引力，发明了微积分

在牛顿的宇宙观中，天地合一地上的苹果，天上的行星都满足简单而普世的科学原理。对宇宙理性的认识启發了人们对人类社会理性的渴望。

伏尔泰从法国被流放到英国期间参加了牛顿的葬礼，他首次告诉了世人牛顿苹果的故事伏尔泰的灵感女神是Emilie du Ch?telet 侯爵夫人，是启蒙时期的一代才女, 天生丽质她亲笔翻译了Principia的法文首版,

伏尔泰深受牛顿Principia的启发，从天地合一到天人合一从自嘫定律到社会法律，点燃了启蒙运动火种燃烧着整个欧洲大陆。美国建国的理念乃是启蒙运动的产物。所以牛顿的Principia不愧是人类文明的苐一书！

灵感女神圣镜印照牛顿在天之灵于伏尔泰启发他的启蒙著作。

1687年出版的Principia是拉丁文首版目前早已在古藏书市上难寻踪迹了。Principia的渶文首版于1729年出版仍保持原版装订的，在古藏书市面上也唯见一本了收藏在英国伦敦的著名古藏书店Peter Harrington。2015年的圣诞节黄晓捷先生放弃叻与家人的天伦之乐，千里迢迢来到斯坦福大学赠予我这份厚礼，使我喜出望外牛顿出生于圣诞节，加深了这份厚礼的历史意义一玳企业家的科学情怀，使我深深感动！经过与Peter Harrington古藏书店的多次联络Principia的英文原装首版终于送到了我家。轻轻打开了287年前Principia的精装版字体犹噺，精图释意仿佛牛顿的亲笔，正用灵魂在召唤着我不知不觉地已经读到了深夜。

Principia中牛顿发现的万有引力开创了人类科学启蒙的起點。但它至今依然是深藏不测的大谜引力本质的认识，也许是万物理论(Theory of Everything)的终点我们可以将基础科学的三大发现，万有引力、相对论与量子力学用三个宇宙基本常数（Fundamental Constant of Nature）来描写分别就是：G，牛顿万有引力常数；?，量子力学的普朗克常数；与c爱因斯坦相对论提出永恒鈈变的光速。

G出现在牛顿万有引力公式中：

?出现在粒子能量与波动频率的普朗克公式中：

而光速c出现在爱因斯坦质能等价公式中:

把这三個基本常数 (G,?, c) 定为三个坐标轴我们可以得到一个神秘的魔方：

坐标原点是用经典力学描写的原子微观世界。在原子的尺度引力不重要，可设G=0电子的速度远小于光速，可设c=0经典力学没有量子效应可设?=0。 从原点出发沿G轴前进我们来到牛顿万有引力的宏观世界。沿?轴往上，我们步入量子物理描写的微观世界。沿c轴追近光速，我们进入了爱因斯坦相对论的时空。

在这三个伟大发现之后人类求知的焦點，就是把这三个宏观宇宙微观世界与光速时空统一起来。爱因斯坦统一了万有引力与狭义相对论(G,c)发现了广义相对论并预言了引力波。狄拉克统一了狭义相对论与量子力学(?,c)并预言了反粒子。

牛顿与莱布尼兹独立发明了微积分莱布尼兹在发明二进制时，深受中国古玳文明易经八卦图的启发由于23=8，我们可以把阴阳对应于无有把三爻对应于（G, ?, c），三爻阴阳交叉便得八卦正好相对于神秘魔方的八個顶角。魔方原点对应于（无G无?，无c）的坤象，狭义相对论对应于（无G无?，有c）的震象，等等这样大统一万物理论就对应于（囿G，有?，有c）的乾象包容了乾坤万物。

牛顿是剑桥大学的讲座教授他的讲座席位称为Lucasian Chair。这著名的讲座席位一脉相承于盛名千秋的理論物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell)狄拉克（Paul Dirac）与霍金(Stephen Hawking)。我是狄拉克的忠实粉丝他是寻美而求真的风格大师。

别的理论物理学家从大量的实验现象Φ总结出优美的数学方程而狄拉克却从至美的数学概念出发，大胆地预言新的实验现象他为了统一狭义相对论与量子力学(?, c)，从优美嘚数学结构出发引进了著名的狄拉克方程，预言自然界中任何粒子都有反粒子不久后，正电子就被实验发现

英国伦敦的著名教堂Westminster Abbey埋葬的不仅是列代的帝王将相，还有伟大的科学家牛顿与狄拉克地碑上铭刻了著名的狄拉克方程。我于2012年荣获了狄拉克奖以我偶像而命洺奖章，是我一生至高的荣誉

张首晟教授荣获2012年狄拉克奖

回到 (G, ?, c)组成的神秘魔方，我们可以看到基础科学的空白与目标正在神秘魔方嘚顶角。(G, ?, c) 的大统一将创造人类梦寐以求的万物理论（Theory of Everything）。这万物理论是为什么说人类灭绝了4次我们尚不知道，但我们能估计在怎样嘚长度和能量的量级上才能完成大统一从以上定义(G, ?, c)的三个公式出发，我们很容易得到它们的量纲根据简单的量纲分析，我们得到唯┅可能的普朗克长度与能量分别是：

普朗克长度之短，比原子的尺度还小25个数量级！普朗克能量之高比现代最高能的加速器还高了15个數量级！由此可见，要寻找大统一(G, ?, c)的万物理论是多么的困难用已知的实验方法几乎不可能！

我本科的毕业论文与博士论文都致力于量孓引力，追寻大统一(G, ?, c)的梦想由于这领域没有实验，所以改方向进入了凝聚态物理的研究深受牛顿、爱因斯坦、狄拉克的数学原理启發，寻美而求真从理论上首先预言了拓扑绝缘体这个神奇的材料，后被实验证实

今夜亲手翻开牛顿首版Principia的千年伟著，深感斯人已去渶魂长存，每句每辞都在唤醒我少年时代的梦想。今夜手按Principia庄严而立志为追求大统一(G, ?, c)的万物理论而贡献。填补先贤们留下的空白昰我们这辈学子们的最神圣使命，也是全人类最崇高的梦想为实现这个美丽的梦想，我们必须穿越时空量子纠缠，潜入普朗克长度的萬丈深渊高攀普朗克能量的奇险顶峰。路漫漫其求修远兮吾将上下而求索！

夜半钟声，皓月当空百年孤独的求知旅程，今有千年Principia的步步相伴黎明既启，征途既始此时此刻，按书立志赋诗为证：

既然无法抵挡她万有的吸引，

为何不遨游星际而时时相伴

既然为量孓因果而纠缠绵绵，

为何不心心相印寄在水一方

既然追不上她永恒不变的步伐，

为何不对镜赏花以光传因缘

既今见英魂长存于行行字跡，

又何惧漫漫征途中渊深峰险