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【经观讲堂第17期】张坚地:从量子科学的打破看科技立异

来源:环球体育app下载官网           发布日期:2022-07-22 15:00:58     |     浏览次数:30

  【经观讲堂】系经济调查报社年度训练项目,约请来自经济、传媒、科学、文明、法令、商界等范畴知名人士教学知识与新知,共享经典和立异,是助力提高经观内容质量和传达影响的开放型讲堂。本文依据在物理学家张坚地【经观讲堂】上的讲话收拾。

  张坚地,外表物理国家重点试验室出色研讨员、北京凝聚态物理国家研讨中心首席科学家,美国物理学会(APS)会士。首要研讨方向为试验凝聚态与资料物理范畴,尤其是对相关物质在对称性破缺和维度下降条件下演生的新式量子态的研讨。

  1993年,IBM在Nature上宣布了一篇文章。在这篇文章里,人们榜首次用扫描隧道显微镜直接演示了电子的波动性。电子的二重性,即电子有时表现出粒子,有时则表现出波的办法。

  波和粒子不同,波的性质反映的是电子以一种接连的空间散布的办法存在,粒子在经典意义上便是在空间中以一个点的办法存在。这图里呈现了用扫描隧道显微镜调查被48个铁原子圈着的铜外表电子的行为。假如在这外表上的电子是朴实以粒子表现的,那它们在扫描隧道显微镜的调查成像就应该呈颗粒状,不该该是驻波纹状。这儿说的是在这被48个围着的电子以波的表现呈现出来。

  20世纪初,1911年,我国改造轰轰烈烈,比方辛亥改造。在其时,我国的全体改动是推翻封建王朝。而在同一时刻,西欧也悄然地发生了一场改造,即量子物理学的诞生。

  量子力学在20世纪初的悄然诞生,表现于两次索尔维会议(榜首、五届)。这两次索尔维会议均在布鲁塞尔举办,由欧内斯特索尔维赞助。这个会议的参加者里有许多得过诺贝尔物理学奖的人,比方咱们都很了解的爱因斯坦和居里夫人,以及十分闻名的法国数学家亨利庞加莱。在这个会议里,与会者一起评论了量子的诞生。

  1900年,普朗克榜首次提出“量子论”。量子论自身可以解说在20世纪初所无法解说的许多物理现象,可是普朗克其时不供认量子的存在,没有提出量子的概念,仅仅为解说黑体辐射时在数学推导上需求它。直到1905年,爱因斯坦才榜首次提出量子这一概念。

  量子的概念其实十分简略。比方,用光照一块金属,假如这个光的频率满足高,金属里的电子就会跑出来,这便是光电效应。光电效应和光的强度没有联系,而是和光的频率相关。光电效应榜首次提出了光实践上不是接连的波,而是一个个量子,然后解说了光电子是或能从金属跑出来和光频率有关,而不是光强所决议的。光也有二重性,它在空间传达时具有波性,但在和物质相互作用时又会变成别的一种“性情”。在和物质相互作用时,光会以量子的办法和其他粒子进行相互作用,这便是“量子”的开端。凭仗这个发现,爱因斯坦在1921年取得诺贝尔物理学奖。

  第五届索尔维会议(1927年)的参会者有许多物理学家、化学家,这或许是20世纪最闻名的会议,由于从没有一个如此小规模的会议集合了如此多的闻名科学家。此届索尔维会议奠定了量子论和量子力学,当然还有相对论。咱们都知道经典力学,而量子力学的奠定便是现代物理科学诞生的一个重要标志。

  这儿我再讲一下这次索尔维会议里的闻名科学家,比方最早提出波粒二象性的德布罗意、薛定谔;薛定谔和海森堡一起写了两篇关于量子力学的发生的文章;与会者还有提出微观粒子的泡利不相容原理的泡利。所谓泡利不相容原理,指的是两个费米子不能一起相处在同一个量子态里,反之则是玻色子;这是物理学里两种形状的底子粒子。正因如此,索尔维会议被誉为奠定了现代物理学的根底,现代凝聚态物理的展开简直也是从这个会议开端。

  原子的里边有原子核,外面有电子。可以幻想,咱们选用不同的堆法,将许多原子渐渐地堆在一起,堆完这些原子今后构成的物质会有什么性质。从原子进入到分子,或许会在最终堆成一个有超越1023个原子的物质。假如堆得比较好的话,还可以堆成一个十分有规矩的物质这就咱们一般说的晶体。

  晶体有必定的结构和周期性。举个不太恰当的比方,一个一维的晶体就像一队垂直做核酸的长队,排队时两米一人,因而咱们说又必定的周期性,假如部队里存在一米一人,部队的周期性就被损坏,即对称性被损坏。假如人与人之间的相对方位不变,即底子呈静态,咱们一般就称其为固体。水里边水分子之间也有必定的间隔,但分子间有拐弯,无特定对称性,因而对应于凝聚态的软物质类型。

  凝聚态物理实践上便是了解凝聚态物质的性质,所以假如给凝聚态物理一个十分广泛的界说,便是从事于由原子间电磁相互作用所发生的物质(固体或液体)的微观和微观物理性质的研讨。

  从咱们了解而言,凝聚态物理实践上只需求三样要素:量子、对称性、和相位。这儿阐释一下对称性的重要性。对称性一旦被损坏,从物理学的视点而言,物质就会有新的状况呈现。1956年,杨振宁和李政道发现了底子粒子中存在镜面对称性破缺(导致所谓宇称不守恒),并凭此在1957年取得了诺贝尔物理学奖。其时底子没有人信任他们提出的对称性破缺,乃至连提出泡利不相容原理的泡利还大骂两人是在瞎搞,可是这个理论随即就被吴健雄(注:我国科学院外籍院士、物理学家)领导的小组所证明。这或许是最快取得诺贝尔奖的一个理论。这个理论十分成功,由于是先在理论上预言,然后当即就得到了试验上证明。仅仅很惋惜的是,吴健雄先生其时并没有取得诺奖。

  下面我解说一下凝聚态由于许多原子不同堆积而演生的现象。有一个分子很有意思,名叫碳60,在1985年被克罗脱和史沫莱发现,两人随后凭此取得了诺贝尔化学奖。碳60十分对称,更有意思的是,假如把三个碱金属(在化学周期表的榜首列元素)原子堆到每个碳60上,就可以使之对应资料构成超导。要是再进一步堆成更为杂乱的化合物晶体,犹如这个含有5种元素的化合物:水银(汞)、钡、钙、铜和氧。这种混合物可以变成有挨近140K的高温超导,即零下130多摄氏度,有利于在液氮下来做超导。

  这些现象都说明:把原子堆在一起后,物质会发生不相同的性质,而这些性质并非来自于单个的原子。有一种十分有意思的资料来自于碳原子:石墨(很软)。石墨中每个碳原子与其他碳原子只构成3个共价(最近邻有3个碳原子),但假如把每个碳原子与其他碳原子构成4个共价,则女士们必定都会对其十分感兴趣,由于这意味着构成的物质将是钻石。

  “咱们一般以为1+1=2,可是后来发现这个“+”大有文章”,这出自于1919年证明广义相对论关于光线曲折预言的英国天文学家艾丁顿。为什么1+1会2?这便是咱们物理学里边很有必要说明的一个问题。一个粒子系统出来的物理性质和每个单一的粒子的性质彻底不相同,这是凝聚态物理里一个十分重要的研讨课题。凝聚态物理研讨的底子粒子相互作用不外乎便是电磁相互作用,人体之所以可以构成至现在的形状,不外乎也是由于电磁相互作用。研讨粒子物理的科学家就期望把一个原子拨成电子和原子核,原子核再往下拨成夸克和胶子,到最终再往下拨就会发生比方超弦理论等。

  还有一些科学家把原子堆成自己想要的结构后,发现会呈现出和本来彻底不相同的物理性质,这便是咱们在做的作业,是凝聚态物理里一个十分重要的研讨课题。对电磁相互作用自身的了解现已十分明晰了(没有诺贝尔奖可得了),可是假如经过把原子堆在一起以发生例如超导的新的性质,就有了新的期望。

  生命的发生与进化更是奇观(原则上也是堆原子、分子,底子相互作用也是电磁相互作用)。人类开端不过是一团毫无规矩的细胞,最终却奇特别、自发地逐步长成了四肢齐全的婴儿。人的底子成分是碳、氢、氮、氧,氧的含量最多,这么多的分子被结构出来,在每一个进程里便是一种演化和呈现的现象。

  最终极的在于,咱们怎样了解一个人从如此简略的原子开端,进化到现在如此杂乱的生命形状。这个进化进程里的许多物理进程实践上都是量子的进程,仅仅咱们暂时还没有办法了解,由于生命的发生和进化自身便是一个十分杂乱的演化进程。1952年,沃森和克里克经过X射线衍射发现,人类的DNA大部分都是右螺旋。我就在考虑,人的心脏为什么在左面、肝脏在右边?有没有反过来的?DNA为什么大部分都是右螺旋?

  回到超导。什么是超导?用物理的视点来讲,首要,超导便是一种团体的量子态。给超导资料渐渐降温,当温度降到某一个临界点以下,资料的电阻就会变至0,其次,一些超导体具有抗磁性,在磁场强度低于临界值的状况下,磁力线无法穿过超导体。这儿演示的是在超导资料的上面放置一块磁铁,然后用液氮冷却超导资料使其进入超导态,磁体便会浮在空中,直到把超导体的温度上升至某一个临界温度值(超导态消失),磁铁才会从空中掉下去。磁铁之所以可以浮在空中,原因就在于超导体与磁铁的磁场之间会发生排挤力,磁铁受力后浮在半空中。

  导体是什么?一般来讲,资料依据其导电性可以分为:导体、半导体、绝缘体。关于导体,只需给加一个电压,导体中的“自在”电荷就会在电场力的作用下发生定向移动,构成电流。一般的导体有电阻,发生电流的一起会发生热量(焦耳热),由于电子在导体里活动的时分,不是在一个自在的空间里活动,而是会碰到自己同类电子和原子核(所谓散射),然后发生电阻,而磕碰一起也会随同有热量发生。

  但超导是没有电阻的,那是为啥?为啥超导体内的电子不再见散射?答复其微观上机制不是一件简略的事。在惯例超导资料里,晶格和电子协作得特别好,使得两个电子构成对,称之为库珀对。但电子成对的状况一般很难呈现,由于两个具有相同电荷的电子会相互排挤。电子对的招引需求经过晶格发生一个相互作用,一旦电子成对并以一个正确的办法运动,晶格就能和电子协作得特别好导致超导。所以超导实践上便是一种团体的,多粒子协作而构成的量子态。

  除了下降温度以外,现在,假如有约170万个大气压的高压就有或许在常温环境中发生超导现象。事实上,常温超导无疑也是现在凝聚态物理一个十分重要的研讨方向。现在,国内外有许多人在重视超导系统,赵忠贤院士便是其间之一。咱们都十分完成常温超导,由于常温超导不仅仅是学科上的一大打破,在工业上也将有十分广泛的运用。

  20世纪另一项巨大的技能改造是什么呢?我以为是半导体,特别是硅半导体的发现与运用。硅有许多长处,比方存量巨大,沙滩上就有很多的氧化硅。但问题在于:虽然我国的太阳能电池产值现在已位居国际榜首,但高纯度原资料大部分都是从国外进口,如美国硅谷,假如不卖资料给咱们,咱们将面对工业断层的危险。

  工业上对硅的纯度要求很高,电子工业一般在9个9以上,即99.9999999%。在硅里掺入一点其他元素,就会使其发生不同的性质。假如把两个不同掺法的硅放在一起构成一个界面,这个界面就会迫使电子在一个方向比另一个方向活动简略。由于界面上有一个坎,就像人假如要从田埂走过,向下比向上更好走。这便是二极管的底子图画,一起也告知咱们:“界面便是器材”(来自于诺奖取得者赫伯特克勒默的名言)。

  到了21世纪,怎样堆成一个杂乱的、但具有自己想要的多功用相关化合物和低维度资料成为研讨的一大热门。比方最近20年来,低维资料有闻名的单层石墨,即石墨烯,杂乱相关资料做的最多的便是过渡金属氧化物。可是就现在而言,若要经过各种改性的办法得到真实有用的功用资料,还有很远的路要走。

  那么什么是杂乱强相关(即强耦合)资料?一般来说,资料里不外乎是电、晶格和磁性,电子除带点荷外,还有内禀磁矩,咱们称之为自旋,就像在每个电子上设备一个指南针,指南针的不同方向能给出彻底不同的物理状况。在一个杂乱资料里,有着不同的自在度,电荷、自旋、轨迹、以及晶格,假如它们之间有很强的耦合,咱们就称之为强相关资料。

  我现在研讨的不仅是制造耦合资料,还发生界面。将资料A和资料B成长在一起,构成异质界面。这可经过损坏资料的对称性来改动相关资料的各种不同耦合,然后引出本来所没有的新的界面物理性质。我刚刚说到的二极管便是这样。但这需求花许多精力,首要便是要把资料的界面做成原子级平坦。

  界面里有许多十分有意思的现象,比方两个绝缘体被放在一起或许会变成超导。界面上还可以构成各种磁性的结构,例如构成叫做“斯格明子”的结构里,每一个箭头代表一个原子的方位上的一个磁矩,并会在全体上构成左螺旋和右螺旋的团体状况。

  假如把这种结构界说成一个新的准粒子,一个原子便是一个自旋,几十个乃至几百个原子就可以构成一种十分特别的“斯格明子”形状,即新的自旋量子态。这个量子态的激起能量和本来单一自旋的激起能量不同。假如一个量子态跳到另一个量子态所需的激起能量小,就会十分利于制造器材。这演示是我在美国触摸的仪器可以在超高真空里边表征自己成长的资料。除了表征资料外,还需测验资料的底子性质、并进一步从理论上了解资料。最终怎样把资料变成在技能上有用的东西,是最要害的问题。

  我下面要讲到一个仪器。把资料从横截面切成一个薄片,然后用一个电子束从横截面打过去,就可以扫描界面的状况。扫描图画给了咱们横截面上原子的方位、化学成分等。咱们可在原子规范上成长资料,也可以在原子规范上表征。比方在一个单晶膜里插了一层不相同的原子,咱们这会将其物性彻底改动。要做到只插一个原子层十分不简略,而这扫描仪器便是咱们做凝聚态物理的一个眼睛。

  之所以要特别说到这个仪器,是由于它是咱们现在卡脖子的技能之一。这个仪器叫扫描透射电子显微镜,我国现在现已有很多台高端电镜,但全都从国外进口,有来自日本,有来自美国,每一台需求花费至少400-500万美金。

  这个仪器相当于一双“眼睛”。比方研讨晶体时,需求一个既是粒子又是波的电子束。波就有干与和衍射,经过对晶格的衍射或散射可生成图画,研讨者便能反推得知资料的结构。一起,凭借仪器,研讨者还可以做改动电子束电子能量的散射。电子具有必定的能量,散射后能量会削减,而能量守恒定理标明削减的能量其实是被某一个化学元素所吸收。研讨者经过核算该元素的能量值,便可知资料里边是否具有某样元素。

  此技能其间的困难在于,需求使一个强电子束集合到可以看到0.4个纳米以内。纳米的长度是10-9米,一个原子晶格的巨细差不多是0.3个纳米,现在,空间分辩才干最高可以到0.4个埃(0.04纳米)。只要这样才可以看到每一个原子及其相对移动。

  我国现在有两台最新且有很高(~10毫电子伏特)能量分辩率的电镜,一台在北大,一台在国科大(我国科学院大学)。咱们自己没有,但期望可以和他们协作。

  进化的英文是evolution,改造的英文是revolution,两者的差异仅仅前面的一个字母。但进化和改造的差异终究是什么?什么是进化?什么是改造?

  以照明为例,从蜡烛、到灯笼、到马灯的技能展开进程都归于进化,但仅仅技能上的进化改造,由于它们实质上仍是经过火来发生光。但咱们现在运用的电灯泡比较于马灯就可以算作改造。电灯泡在开端便是让电流经过钨丝时发生热量,螺旋状的钨丝不断将热量集合,使得钨丝的温度达2000℃以上而处于白炽状况,宣布光来。但最大的问题在于,钨丝发生的热量比发生光的能量大许多,浪费了许多资源,因而后边改用LED发光二极管。

  LED发光二极管的发光原理和开端的电灯泡彻底不同,简直没有热能,耗费的能量也小许多。在我看来,电灯泡和LED发光二极管的创造都归于技能上的改造。LED发光二极管的相关研讨还曾取得诺贝尔物理学奖。但事实上,LED发光二极管并非一个严重的物理发现,仅仅对人们的日常日子十分重要,归于进化式的技能改造。

  另一个进化性的成便是有关2009年的诺贝尔物理学奖(类似于LED发光二极管相关研讨的诺奖):光传输研讨和CCD传感器,取得者里有一个我国人,名叫高锟。高锟其时是英籍。他在1966年7月写了一篇文章,从理论上证明,假如把石英的杂质彻底除掉,石英玻璃便可以做光纤的首选资料,促进光通讯的展开。

  光通讯最大的问题在于强度耗费大。20世纪60年代初,许多人也曾说到用光做通讯,但常常因能量耗费大而抛弃。高锟提出的一个理论标明,光通讯可以传输10公里而不是以为的20米,但其时没有人信任。他自从1966年7月写了一篇文章阐释开端,并在1966年到1970年之间四处游说,找人协作做试验,花费了许多精力。直到1970年,康林公司的一种光纤才证明了高锟的理论。光通讯自此展开,工业界也逐步开端运用光纤,直到现在,电视机仍然在用光纤传输信号。

  CCD的创造是对人类印象的记载办法的推翻。新近的照相机运用的是胶卷,照相原理便是将感光资料放到塑料片上并由此集合成像。CCD传感器的创造很有意思,是波义耳和史密斯在1969年10月的某天吃午饭时的突发奇想所得。CCD实践上并没有十分严重的新科学发现,便是运用金属-氧化物-结构而成的一个名为MOS的电容器材,作业原理更是爱因斯坦早在1905年就已提出:金属资料被光照后会激起电荷,然后发生电信号,人们记载该信号便可知光照终究怎样。MOS电容器是成像的底子条件,越轻越小越好。现在的纳米技能现已可以把电容器做得十分之小,可以用很小的像素导出高明晰度的图画。CCD的原理并不杂乱,但最要害的不在于底子原理的了解和打破,而在于在技能上怎样把各个细小像素信号电路连起来。

  贝尔试验室是做凝聚态物理技能改造的一个十分重要的单位。到现在,贝尔试验室最巨大的创造是三极管。三极管便是在二极管的根底上加了一个级,然后可以操控原始的信号,并且将其扩大。关于晶体管,不得不说到三个人,他们别离是一个试验物理学家和两个理论物理学家,其间一个理论物理学家便是大名鼎鼎的巴丁。

  这三人在贝尔试验室一起研发怎样把晶体管的信号扩大。晶体管只要三级,可以操控电流。事实上,原始相应的线年就被创造出来,但制造十分费事,需求很大的玻璃管。在真空管被创造出的几十年后,三人发现半导体可做真空管的设备。实践上,晶体管或许是20世纪最重要的创造,现代的半导体工业都来自于晶体管。

  贝尔试验室最光辉的时期是20世纪50年代至70年代,在这期间取得了许多诺贝尔奖,但后边尤其是90年代后逐步衰败。许多人一向想复兴贝尔试验室,上面的领导也向下施压,要求有必要做出作用,这是贝尔试验室“造假事情”的导火线。

  在2000年至2001年之间,一个名为扬舍恩的人总共写了9篇Science与7篇 Nature,但后来被发现文章造假。舍恩作假的心态很简略。在90年至00年期间,包含我自己在内,要找到一份不错的作业,在Science和Nature上宣布的文章数量是硬指标。我觉得这种点评规范有很大的问题,会导致人们抱着急于求成的心态做科研,乃至还会呈现造假事情。任何一件十分想要做的事,必定要有自在的思想,假如没有,则很难真实完成。

  前面说到了巴丁,巴丁叔叔十分有名,他是到现在仅有一个取得过两次诺贝尔物理学奖的科学家。巴丁两次得奖别离是由于发现晶体管效应和说明超导理论。值得一提的是,巴丁在1957年说明超导理论时,现已于1951年脱离了贝尔试验室。巴丁脱离贝尔试验室后,在伊利诺大学担任教授,并在1955年将研讨范畴转向了超导研讨。在研讨期间,巴丁招收了博士后库珀和研讨生施里弗。他们三人聚在一起,很想做出一些有意思的东西。库珀首要提出了库珀对,这便是我前面提的电子配对,施里弗的数学功底特别好,把相应量子公式推了出来,三人凭此在1972年一起取得了诺贝尔物理学奖。

  我想讲的第三个凝聚态物理的严重研讨作用是发现巨磁阻现象并导致了自旋电子学的诞生。2007年,阿尔伯特.费尔和彼得格林贝格尔由于发现巨磁阻(GMR)现象而获诺贝尔物理学奖。在获奖前,费尔和格林贝格一向在研讨几个资料电导问题包含假如加一个外场,电阻会有多大改动?

  巨磁阻包含磁电阻效应。铁是磁性资料,有必定的磁极化方向,假如把铁做成十分薄的、只要几个原子层的膜,并在铁膜中心插一层铜,他们发现,横穿这三层膜的电导与其间的两层铁膜的相对极化方向有关:当其相对平行时,电导最大(电阻最小),而当它们相对反平行时,电导最小(电阻最大),要是能用外磁场来调控它们的相对方向,然后发生磁阻效应。这也相当于电路中的开关现象。这种磁开关和二极管开关彻底不同,磁开关经过磁性所导致,是一种量子效应。由于如此人工构筑的异质结有很大的磁阻效应,故称为巨磁阻现象。

  巨磁阻效应可以用作为勘探器的作业机制,比方信用卡存的12345678的号码,实践上便是一系列磁条。磁条的信号很弱,巨磁阻效应能使磁条在被读取时不被损坏。在感应的时分假如有一个这样的设备,就能发生不同的电流,这便是所谓的传感器。这个传感器被用到了手机上,由于手机需求既细巧又活络,在定量上这是咋回事呢?

  假如给一个纯金属加一个外磁场,最多使金属的电阻添加2%。运动电子在外磁场下会受力偏转然后导致电阻添加。假如这资料是磁性资料,有内磁矩,加外场就会是它们的取向转到外场方向,使得本来并不规整摆放的磁矩“部队”变得有次序。因而这个时分资料的电阻会由于减小它们对电子的散射而下降。原理自身很简略,可以了解为穿过一片森林时,森林里的每棵树便是一个磁极和指南针,假如指南针排得很好,别的一个指南针就可以沿着十分直的空间穿过。问题在于,假如要使勘探便利,需求一个满足大的改动的电阻。1994年,IBM用别的一种叠加的办法把这个资料做到了极致,使其在每平方英寸里可以发生5G比特的回忆,这是曾经所没有的。

  诺贝尔奖的取得状况当然不是给出科研作用的最好且仅有的判据,可是确实能反映一些问题。自从诺贝尔奖建立以来,到上一年,美国共获384个,日本共获28个。我国也有几个,但要看怎样核算。问题便是,为什么美国可以取得如此多的诺奖?美国招引了众多人才是原因之一,但我觉得最要害的原因在于,美国人着重从小就有一种自在的、多元化的思想,而非一致的思想。这儿就涉及到国家间的文明和教育差异。

  拿我儿子举例。他三年级时曾取得一个画画的奖,要求是画自己的爸爸。在我儿子的画里,我有一只手只要三个手指。在国内给人画像,假如一只手上只要三个手指,恐怕是很难及格的,可是我儿子反而却得了奖。我想或许是由于他把我的形像画得很有意思,有自己的主意。这个故事便是标明,做科研必定要有多元化的主意,这个主意最好还和别人的都不相同。美国的许多小孩很少以为自己和别人有相同的点是功德,都是更垂青自己共同的点。

  实践上做出尖端科学作用的人只要少量天才,特别是数学和物理,确实需求少量天才,除此之外其别人都是“打工”。但社会需求给天才线年上大学,其时《光明日报》头版头条报导了天才少年宁铂。宁铂在13岁或或许更小的时分,就现已把《本草纲目》里的每个字都悉数记住,9岁时便熟知许多中医药理。宁铂还很拿手围棋,我曾经去他宿舍时就看见他在下棋。1977年康复高考时,12岁的宁铂一举考入我国科学技能大学,又在次年被选送少年班,颤动全国。恶作剧地说,其时国内知道宁铂的人或许比知道的还多。可是宁铂进入少年班后并没有连续“天才”的光辉,最终遁入空门,成为了一个心理咨询方面的和尚。

  宁铂之所以“伤仲永”,我以为是由于其时的社会没有给他满足的自在空间,而是給他太大的压力。咱们都很了解乔布斯和比尔盖茨的故事,他们两人都没拿到大学文凭,乔布斯在还没结业之时就脱离了哈佛。试想一下,假如咱们的孩子将来在哈佛读书,忽然在第三年告知咱们他不想读了,咱们会怎样想?肯定是觉得难以想象:我一年花这么多膏火,怎样能说不读就不读?

  我一向在考虑,怎样鼓舞逆向的思想和执着的研讨。我觉得就现在的状况很难做到,包含美国。在曾经的美国,底子上大部分科研人员都在大学里,但后来越来越多的人开端转向国家试验室或公司,直到90年代后公司关闭潮,以及大公司对科研赞助的大幅度削减,许多科研人员才重返校园。

  80、90年代曾经,美国的许多基金支撑个人的研讨。但后来美国的能源部、自然科学基金委设立了许多专项以支撑团队式的科研。而其时,评论怎样组成团队就花费了许多时刻,最终发现,很少有诺贝尔奖是从团队式的科研里边发生的。除了高能物理,一篇文章就有一两百人参加。可是特别像凝聚态物理这一行,越是团队式的研讨好像功率就越低,推翻式的发现往往都是从个人的主意和科研里发生。

  这儿就有一个问题:作为一个基金单位,怎样赞助科研作业者?怎样发掘有共同主意的科研作业者?在曾经的美国,假如你在某个研讨方向做得特别好,基金会就会特别联络你,拨钱,想做什么都行,但现在现已没有了。美国现在也有赶潮流的问题,今天是纳米潮流,明日是拓扑资料潮流,后天又由于我国的兴起而变成量子通讯潮流。

  假如科研的项目底子不符合当下的热门,就很难拿到资金,我也不知道没有资金支撑该怎样科研。许多取得诺贝尔奖的创造或发现,都不是预先想到的,也并非必定要得诺奖才做科研,相反,许多诺奖都来自于做科研时的偶尔发现。

  最终我想从文明和教育上谈谈怎样应战威望。就凝聚态物理而言,很惋惜,现在除了拓扑资料研讨,我以为咱们还没有一个真实引领研讨“潮流”的原创性科学发现。可是现在的科研许多时分仅仅在跟风。

  在美国物理学会的年会,都会有一些十分重要的陈述,每个都长达30分钟,陈述一年里做的最有意思的东西。许多人会很重视去听这些陈述,以此捕捉大热门。其实假如不是里边的陈述人,并且你也还没有真实做了相关的研讨,我觉得就没有必要去听,为什么?由于这标明自己在这研讨上现已落后了,与其去追热门,不如让自己在第二年成为新热门的陈述人。

  除此之外还有科研设备的问题。咱们买了许多仪器,动辄便是几百万到几亿的费用。一些范畴还需求许多大设备,比方80年代制造的合肥同步辐射光源。单位很想知道像这样大设备,其重要的科研产出怎样?上海光源作用怎样,还需求咱们拭目而待。现在,北京在怀柔又要做一个光源,听说在郑州和南边还要别离做两个光源。但具有设备仅仅榜首步,最要害的是设备能发挥什么作用、产出多少令人信服的重要科研作用。

  还有科研评价的问题。现在教授们去听结业生做结业论文的陈述,评语写得一个比一个好,很少有人写论文的问题是什么。最终便是帽子问题。现在的年青人需求的帽子太多了。即使是院士,也都得一步一步往上走,但现在许多人便是做不到。要是科研作业者想的都是怎样去拿这些帽子,而不是静下心来做些真实的研讨,那就费事了。

  国际知识产权安排在上一年发布了一个全球立异指数,前三名别离是瑞士、瑞典和美国,我国排名第十二位,日本位居第十三位。许多人对此很快乐,以为我国超越了日本。但其实不然,咱们要看这个立异指数怎样核算。立异指数要看几个方面,如受教育人群、商场、专利的数量、实用新式专利的数量。实践上,我国的排名可以靠前,很大程度上得益于巨大的受教育人群,并非表明咱们的立异才干就很强了。

  限制我国立异展开的要素有许多。榜首是准则,这儿专指科研范畴的准则。我国的科研发度在全国际排名六十多位,这就成了许多立异研讨特别是原创研讨的妨碍。

  第二是根底研讨的投入不行。以2021年的统计数据为例,假如不看总量看份额,我国根底研讨的总投入仅占研讨总投入的5.2%,而美国则挨近20%。咱们的投入仅仅是美国的1/5。从份额上看如此,绝对数则更不用提,虽然咱们的GDP总量国际排名第二。这是一个大问题,会影响到一些真实具有推翻性的技能的创造。

  第三是科技作用的转化率低,相同用2021年的暑假,我国现在只要大约10%,西方国家则有40%。科技作用的转化率首要包含科技作用的实践影响。现在国内的许多专利都是用钱买的,我才回来还不到一年,就有不少人打电话问我需不需求买专利。咱们的专利数量是国际榜首,占全国际总量的16%。总量多,但其实科技作用的转换率很低。

  第四,也是最要害的,我国短少原创性的创造或发现。咱们很少有企业乐意将钱投入到创业根底科学和工程技能立异的长时间研讨上,也不乐意去展开一些新的技能。比方芯片,咱们就觉得能直接买何须自己花钱研讨,所以这块就一向被别国卡脖子。

  问:榜首个问题,扫描透射电子显微镜的价格很贵,是我国现在被卡脖子的一点,详细是什么方面被卡脖子?第二个问题,我国现在和国际上的其他科技强国距离还比较大,那咱们在国际上抢先的部分是什么?

  张坚地:我讲个故事。有一个旅客到瑞士去旅行,半途发现自己的瑞士手表坏了,就找了一个街头的修表工匠修表。这个旅客在脱离瑞士的当天去修表店取手表,对修后的手表很满足,但工匠固执表明手表虽然现已可以作业,可是还没有修好,不能偿还客户。

  所以瑞士人做手表为什么能做得如此精美?便是工匠精力。我不清楚电子显微镜的详细哪一个部分最卡脖子。可是从知道电子显微镜的原理和把它制造出来彻底是两件事,要做一个电子显微镜需求比方电磁透镜等许多精细部件。电磁透镜不是指玻璃做的透镜,而是要运用一个可控的电磁场起到集合电子束的作用,这就要求操控电磁场的散布刚好适宜,这个看似简略但实则很不简略。把一个电子显微镜拆开看便是几万个小零件,需求把几万个零件的每一件都做到极致,这样才干确保当仪器拼装后正常运转,且具有高空间分辩率。

  所以,在质量管理方面,切忌“差不多就行了”。假如这句话可以从咱们的口头禅里去掉,咱们的科学技能将会有很大的展开。

  第二个问题,我觉得在凝聚态物理,咱们的拓扑资料方面研讨在全国际都很抢先。别的,我国像袁隆平的杂交水稻研讨在全国际也是抢先地位。

  张坚地:这儿的界说是相对诺贝尔奖来说,比方高温超导、爱因斯坦的相对论,虽然后者并没有取得诺奖,但它也是对根底科学有着实质性,观念性的推翻。再比方普朗克的量子理论,其时连普朗克自己都不敢信任,由于在19世纪,马克斯韦尔和法拉第等人都以为光在空间里边传达的时分便是波,所以量子、光子概念的提出便是推翻性的物理发现。而像CCD传感器一类,它把本来用感光资料做的成像技能悉数变成了光信号,这是一个推翻性的技能改造,但在科学上便是运用已知的光电效应,因而不归于推翻性的科学。

  问:京东、字节跳动等公司,在2016年左右张狂发掘人才,许多微软、Google、Facebook的人才都被它们成功挖走。但从上一年开端,许多科学人才又回流到了校园去任教和科研,上一年大厂对科研人才的要求也从“学术有影响、工业有产出”变为“工业有产出、学术有影响”。和国外比较,国内的人才,尤其是根底研讨的人才比较短缺,在这方面,国外是怎样做的?

  张坚地:在国外,假如大学或许研讨所忽然开端吸引人才,大部分和经济向好有关。比方在美国,各个大学拿到资金就可以招人,从某种视点上看有点像大炼钢铁,可是就整体而言,美国仍是比较稳定,除了几回遭受经济危机时,大学或研讨所吸引人才的数量会跌落。防止根底研讨的人才短缺,我觉得要害是有正确的方针和满足的基金支撑。

  关于国内2016年的很多抢人现象,我不知道其时是否是由于刮了什么风,由于咱们跟风很厉害。我记住在14、15年的时分,由于量子核算机的相关研讨敞开,量子通讯的风潮很旺,其时有人表明10年之内要让国人都能运用量子通讯。

  问:人才回归校园不用定是坏事,相反或许会促进人才沉下心来做一些根底性的科研作业。咱们应该怎样判别学术和商业之间的联系?两者的结合之处在哪里?

  张坚地:人才在老练之后,或许仍是会进入企业去做工业运用,斯坦福便是一个十分特别的比方。许多斯坦福的大学生都有一个一致:一结业就去硅谷。许多教授假如能在凝聚态物理、生物工程等方面做一些技能上的研讨,也会有时机进入企业,乃至自己创业。

  美国的许多大学里设有企业孵化器,这个孵化器可以供给一个比方办公室的空间,让学生、教授自主创业。美国还有国家基金委员会、教育科技出资基金等,专门拿出一部分钱支撑大学教授和公司的协作。这个其实就联系到科学技能的转化率。我不知道这些国内有没有这种孵化器,但有也仅仅最底子的条件,能否成功又是别的一回事。

  张坚地:我在2000年就进入了(中科院)物理所,其时我也是榜首次来物理所,后边许多时分我便是暑假来一段时刻然后又脱离。我之所以决议上一年回国,是由于我觉得在物理所的许多时分都有自在评论的时机。物理所的气氛也挺好,比我在美国的单位仍是要强许多。由于在我原单位真实做凝聚态物理的人只要十几人,而物理一切两三百多个科研人员,且许多都是从国外回来的人才,只不过都比我年青一些,我也很快乐年青人乐意和我评论。

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