（圖片來源：受訪者供圖）

量子力學(xué)的誕生

1993年，IBM在Nature上發(fā)表了一篇文章。在這篇文章里，人們第一次用掃描隧道顯微鏡直接演示了電子的波動性。和其它微觀粒子一樣（如光子、質(zhì)子、中子），電子的波粒二重性，即意味電子有時表現(xiàn)出粒子，有時則表現(xiàn)出波的形式。

波和粒子不同，波的性質(zhì)反映的是電子以一種連續(xù)的空間分布的形式存在，粒子在經(jīng)典意義上就是在空間中以一個點的形式存在。這圖里呈現(xiàn)了用掃描隧道顯微鏡觀察被48個鐵原子圈著的銅表面電子的行為。如果在這表面上的電子是純粹以粒子表現(xiàn)的，那它們在掃描隧道顯微鏡的觀察成像就應(yīng)該呈顆粒狀，不應(yīng)該是駐波紋狀。這里說的是在這被48個圍著的電子以波的表現(xiàn)呈現(xiàn)出來。

1911年，中國革命轟轟烈烈，諸如辛亥革命。在當(dāng)時，中國的整體變化是推翻封建王朝。而在同一時間，西歐也悄悄地產(chǎn)生了一場革命，即量子物理學(xué)的誕生。

量子力學(xué)在20世紀(jì)初的悄然誕生，體現(xiàn)于兩次索爾維會議（第一、五屆）。這兩次索爾維會議均在布魯塞爾舉行，由歐內(nèi)斯特·索爾維資助。這個會議的參與者里有許多得過諾貝爾物理學(xué)獎的人，比如大家都很熟悉的愛因斯坦和居里夫人，以及非常著名的法國數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊。在這個會議里，與會者共同討論了量子的誕生。

1900年，普朗克第一次提出“量子論”。量子論本身可以解釋在20世紀(jì)初所無法解釋的許多物理現(xiàn)象，但是普朗克當(dāng)時不承認(rèn)量子的存在，沒有提出量子這個概念，只是為解釋黑體輻射時在數(shù)學(xué)推導(dǎo)上需要它。直到1905年，愛因斯坦才在研究光與物質(zhì)的相互作用時第一次提出光量子（即光子）這一概念。

量子的概念其實非常簡單。比如，用光照一塊金屬，如果這個光的頻率足夠高，金屬里的電子就會跑出來，這就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)和光的強度沒有關(guān)系，而是和光的頻率相關(guān)。愛因斯坦的光電效應(yīng)理論第一次提出了光實際上不單是一種連續(xù)的波（即電磁波），也是一個個量子，從而解釋了光電子是或能從金屬跑出來和光頻率有關(guān)，而不是光強所決定的。光的二重性就表現(xiàn)于，它在空間傳播時具有波性，但在和物質(zhì)相互作用時又會變成另外一種“性格”。在和物質(zhì)相互作用時，光會以量子的形式和其他粒子進(jìn)行相互作用，這就是“量子”的開始。憑借這個發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦在1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

第五屆索爾維會議（1927年）的參會者有許多物理學(xué)家、化學(xué)家，這也許是20世紀(jì)最著名的會議，因為從沒有一個如此小規(guī)模的會議聚集了如此多的著名科學(xué)家。此屆索爾維會議奠定了量子論和量子力學(xué)，當(dāng)然還有相對論。大家都知道經(jīng)典力學(xué)，而量子力學(xué)的奠定就是現(xiàn)代物理科學(xué)誕生的一個重要標(biāo)志。

這里我再講一下這次索爾維會議里的著名科學(xué)家，比如最先提出波粒二象性的德布羅意、薛定諤；薛定諤和海森堡同時寫了關(guān)于量子力學(xué)的文章，從而以不同的角度創(chuàng)立了量子力學(xué)；與會者還有提出微觀粒子的泡利不相容原理的泡利。所謂泡利不相容原理，指的是兩個費米子不能同時相處在同一個量子態(tài)里，反之則是玻色子；這是物理學(xué)里兩種形態(tài)的基本粒子。正因如此，索爾維會議被譽為奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的發(fā)展幾乎也是從這個會議開始。

凝聚態(tài)物理、超導(dǎo)和材料

原子的里面有原子核，外面有電子。可以想象，我們采用不同的堆法，將許多原子慢慢地堆在一起，堆完這些原子以后構(gòu)成的物質(zhì)會有什么性質(zhì)。從原子進(jìn)入到分子，可能會在最后堆成一個有超過1023個原子的物質(zhì)。如果堆得比較好的話，還可以堆成一個非常有規(guī)則的物質(zhì)——這就我們通常說的晶體。

晶體有一定的結(jié)構(gòu)和周期性。舉個不太恰當(dāng)?shù)睦樱粋€一維的晶體就像一隊筆直做核酸的長隊，排隊時兩米一人，因此我們說又一定的周期性，如果隊伍里存在一米一人，隊伍的周期性就被破壞，即對稱性被破壞。如果人與人之間的相對位置不變，即基本呈靜態(tài)，我們一般就稱其為固體。水里面水分子之間也有一定的距離，但分子間有拐彎，無特定對稱性，因此對應(yīng)于凝聚態(tài)的軟物質(zhì)類型。

凝聚態(tài)物理實際上就是理解凝聚態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)，所以如果給凝聚態(tài)物理一個非常寬泛的定義，就是從事于由原子間電磁相互作用所產(chǎn)生的物質(zhì)（固體或液體）的宏觀和微觀物理性質(zhì)的研究。

從我們理解而言，凝聚態(tài)物理實際上只需要三樣要素：量子、對稱性、和相位。這里闡釋一下對稱性的重要性。對稱性一旦被破壞，從物理學(xué)的角度而言，物質(zhì)就會有新的狀態(tài)出現(xiàn)。1956年，楊振寧和李政道發(fā)現(xiàn)了基本粒子中存在鏡面對稱性破缺（導(dǎo)致所謂宇稱不守恒），并憑此在1957年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)時許多人不相信他們提出的對稱性破缺，甚至連提出泡利不相容原理的泡利也如此，但是這個理論隨即就被吳健雄(注：中國科學(xué)院外籍院士、物理學(xué)家) 領(lǐng)導(dǎo)的小組所證實。這也許是最快獲得諾貝爾獎的一個理論。這個理論非常成功，因為是先在理論上預(yù)言，然后立即就得到了實驗上證實。只是很遺憾的是，吳健雄先生并沒有因此獲得諾獎。

下面我講解一下凝聚態(tài)由于許多原子不同堆積而演生的現(xiàn)象。有一個分子很有意思，名叫碳60，在1985年被克羅脫和史沫萊發(fā)現(xiàn)，兩人隨后憑此獲得了諾貝爾化學(xué)獎。碳60非常對稱，更有意思的是，如果把三個堿金屬（在化學(xué)周期表的第一列元素）原子堆到每個碳60上，就能夠使之對應(yīng)材料形成超導(dǎo)。要是再進(jìn)一步堆成更為復(fù)雜的化合物晶體，猶如這個含有5種元素的化合物：水銀（汞）、鋇、鈣、銅和氧。這種混合物可以變成有接近140K的高溫超導(dǎo)，即零下130多攝氏度，有利于在液氮下來做超導(dǎo)。

這些現(xiàn)象都說明：把原子堆在一起后，物質(zhì)會產(chǎn)生不一樣的性質(zhì)，而這些性質(zhì)并非來自于單個的原子。有一種非常有意思的材料來自于碳原子：石墨（很軟）。石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價（最近鄰有3個碳原子），但如果把每個碳原子與其他碳原子形成4個共價，則女士們一定都會對其非常感興趣，因為這意味著形成的物質(zhì)將是鉆石。

“我們一般認(rèn)為1+1=2，但是后來發(fā)現(xiàn)這個“+”大有文章”，這出自于1919年證實廣義相對論關(guān)于光線彎曲預(yù)言的英國天文學(xué)家艾丁頓。為什么1+1會>2？這就是我們物理學(xué)里面很有必要闡明的一個問題。一個粒子系統(tǒng)出來的物理性質(zhì)和每個單一的粒子的性質(zhì)完全不一樣，這是凝聚態(tài)物理里一個非常重要的研究課題。凝聚態(tài)物理研究的基本粒子相互作用不外乎就是電磁相互作用，人體之所以能夠形成至如今的形態(tài)，不外乎也是由于電磁相互作用。研究粒子物理的科學(xué)家就希望把一個原子撥成電子和原子核，原子核再往下?lián)艹煽淇撕湍z子，到最后再往下?lián)芫蜁a(chǎn)生諸如超弦理論等。

還有一些科學(xué)家把原子堆成自己想要的結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)會涌現(xiàn)出和原來完全不一樣的物理性質(zhì)，這就是我們在做的事情，是凝聚態(tài)物理里一個非常重要的研究課題。對電磁相互作用本身的理解已經(jīng)非常清晰了（沒有諾貝爾獎可得了），但是如果通過把原子堆在一起以產(chǎn)生例如超導(dǎo)的新的性質(zhì)，就有了新的希望。

生命的產(chǎn)生與進(jìn)化更是奇跡（原則上也是堆原子、分子，基本相互作用也是電磁相互作用）。人類最初不過是一團(tuán)毫無規(guī)則的細(xì)胞，最后卻神奇地、自發(fā)地逐漸長成了手腳俱全的嬰兒。人的基本成分是碳、氫、氮、氧，氧的含量最多，這么多的分子被構(gòu)造出來，在每一個過程里就是一種演化和涌現(xiàn)的現(xiàn)象。

最終極的在于，我們?nèi)绾卫斫庖粋€人從如此簡單的原子開始，進(jìn)化到如今如此復(fù)雜的生命形態(tài)。這個進(jìn)化過程里的許多物理過程實際上都是量子的過程，只是我們暫時還沒有辦法理解，因為生命的產(chǎn)生和進(jìn)化本身就是一個非常復(fù)雜的演化過程。1952年，沃森和克里克通過X射線衍射發(fā)現(xiàn)，人類的DNA大部分都是右螺旋。我就在思考，人的心臟為什么在左邊、肝臟在右邊？有沒有反過來的？DNA為什么大部分都是右螺旋？

回到超導(dǎo)。什么是超導(dǎo)？用物理的角度來講，首先，超導(dǎo)就是一種集體的量子態(tài)。給超導(dǎo)材料慢慢降溫，當(dāng)溫度降到某一個臨界點以下，材料的電阻就會變至0，其次，一些超導(dǎo)體具有抗磁性，在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體。這里演示的是在超導(dǎo)材料的上面放置一塊磁鐵，然后用液氮冷卻超導(dǎo)材料使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，磁體便會浮在空中，直到把超導(dǎo)體的溫度上升至某一個臨界溫度值（超導(dǎo)態(tài)消失），磁鐵才會從空中掉下去。磁鐵之所以能夠浮在空中，原因就在于超導(dǎo)體與磁鐵的磁場之間會產(chǎn)生排斥力，磁鐵受力后浮在半空中。

導(dǎo)體是什么？一般來講，材料根據(jù)其導(dǎo)電性可以分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。對于導(dǎo)體，只需給加一個電壓，導(dǎo)體中的“自由”電荷就會在電場力的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。一般的導(dǎo)體有電阻，產(chǎn)生電流的同時會產(chǎn)生熱量（焦耳熱），因為電子在導(dǎo)體里流動的時候，不是在一個自由的空間里流動，而是會碰到自己同類電子和原子核 （所謂散射），從而產(chǎn)生電阻，而碰撞同時也會伴隨有熱量產(chǎn)生。

但超導(dǎo)是沒有電阻的，那是為啥？為啥超導(dǎo)體內(nèi)的電子不再會散射？回答其微觀上機制不是一件容易的事。 在常規(guī)超導(dǎo)材料里，晶格和電子配合得特別好，使得兩個電子形成對，稱之為庫珀對。但電子成對的情況一般很難出現(xiàn)，因為兩個具有同樣電荷的電子會互相排斥。電子對的吸引需要通過如晶格產(chǎn)生一個相互作用，一旦電子成對并以一個正確的方式運動，晶格就能和電子配合得特別好導(dǎo)致超導(dǎo)。所以超導(dǎo)實際上就是一種集體的，多粒子配合而形成的量子態(tài)。

除了降低溫度以外，現(xiàn)在，如果有約170萬個大氣壓的高壓就有可能在常溫環(huán)境中產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。事實上，常溫超導(dǎo)無疑也是目前凝聚態(tài)物理一個非常重要的研究方向。目前，國內(nèi)外有許多人在關(guān)注超導(dǎo)體系，趙忠賢院士就是其中之一。大家都非常實現(xiàn)常溫超導(dǎo)，因為常溫超導(dǎo)不僅僅是學(xué)科上的一大突破，在工業(yè)上也將有非常廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)另一項偉大的技術(shù)革命是什么呢？我認(rèn)為是半導(dǎo)體，特別是硅半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用。硅有許多優(yōu)點，比如存量巨大，沙灘上就有大量的氧化硅。但問題在于：雖然我國的太陽能電池產(chǎn)量目前已位居世界第一，但高純度原材料大部分都是從國外進(jìn)口，如美國硅谷，如果不賣材料給我們，我們將面臨產(chǎn)業(yè)斷層的風(fēng)險。

工業(yè)上對硅的純度要求很高，電子工業(yè)一般在9個9以上，即99.9999999%。在硅里摻入一點其他元素，就會使其產(chǎn)生不同的性質(zhì)。如果把兩個不同摻法的硅放在一起形成一個界面，這個界面就會迫使電子在一個方向比另一個方向流動容易。因為界面上有一個坎，就像人如果要從田埂走過，向下比向上更好走。這就是二極管的基本圖像，同時也告訴我們：“界面就是器件” （來自于諾獎獲得者赫伯特·克勒默的名言）。

到了21世紀(jì)，如何堆成一個復(fù)雜的、但具有自己想要的多功能關(guān)聯(lián)化合物和低維度材料成為研究的一大熱點。比如最近20年來，低維材料有著名的單層石墨，即石墨烯，復(fù)雜關(guān)聯(lián)材料做的最多的就是過渡金屬氧化物。但是就目前而言，若要通過各種改性的方法得到真正有用的功能材料，還有很遠(yuǎn)的路要走。

那么什么是復(fù)雜強關(guān)聯(lián)（即強耦合）材料？一般來說，材料里不外乎是電、晶格和磁性，電子除帶點荷外，還有內(nèi)稟磁矩，我們稱之為自旋，就像在每個電子上安裝一個指南針，指南針的不同方向能給出完全不同的物理狀態(tài)。在一個復(fù)雜材料里，有著不同的自由度，電荷、自旋、軌道、以及晶格，如果它們之間有很強的耦合，我們就稱之為強關(guān)聯(lián)材料。

我們現(xiàn)在研究的不僅是一些關(guān)聯(lián)材料，更關(guān)心通過生長人工異質(zhì)關(guān)聯(lián)材料而產(chǎn)生不同異質(zhì)界面。這可利用在界面處破壞材料的對稱性來改變關(guān)聯(lián)材料的各種不同耦合，從而引出原來所沒有的新的界面物理性質(zhì)。我剛剛提到的二極管便是這樣。但這需要花許多精力，首先便是要把材料的界面做成原子級平整。

界面里有許多非常有意思的現(xiàn)象，比如兩個絕緣體被放在一起可能會變成超導(dǎo)。界面上還可以形成各種磁性的結(jié)構(gòu)，例如形成叫做“斯格明子”的結(jié)構(gòu)里，每一個箭頭代表一個原子的位置上的一個磁矩，并會在整體上形成左螺旋和右螺旋的集體狀態(tài)。

如果把這種結(jié)構(gòu)定義成一個新的準(zhǔn)粒子，如果說一個原子就是一個自旋，幾十個甚至幾百個原子就可以形成一種非常特殊的“斯格明子”形狀的一個大“粒子”，即新的自旋量子態(tài)（準(zhǔn)粒子）。這個量子態(tài)的激發(fā)能量和原來單一自旋的激發(fā)能量不同。如果一個量子態(tài)跳到另一個量子態(tài)所需的激發(fā)能量小，就會非常利于制作器件。這演示的是我在美國研制的儀器，可以在超高真空里面表征自己生長的材料。除了生長材料外，還需測試材料的基本性質(zhì)、并進(jìn)一步從理論上理解材料。最后如何把材料變成在技術(shù)上有用的東西，是關(guān)鍵的問題。

最敏銳的“眼睛”

我下面要講到一個儀器。把材料從橫截面切成一個薄片，然后用一個電子束從橫截面打過去，就可以掃描界面的情況。掃描圖像給了我們橫截面上原子的位置、化學(xué)成分等。我們可在原子尺度上生長材料，也可以在原子尺度上表征。比如在一個單晶膜里插了一層不一樣的原子，我們這會將其物性完全改變。要做到只插一個原子層非常不容易，而這掃描儀器就是我們做凝聚態(tài)物理的一個眼睛。

之所以要特別提到這個儀器，是因為它是我們目前卡脖子的技術(shù)之一。這個儀器叫掃描透射電子顯微鏡，我國目前已經(jīng)有很多臺高端電鏡，但全都從國外進(jìn)口，有來自日本，有來自美國，每一臺需要花費至少400-500萬美金。

這個儀器相當(dāng)于一雙“眼睛”。比如研究晶體時，需要一個既是粒子又是波的電子束。波就有干涉和衍射，通過對晶格的衍射或散射可生成圖像，研究者便能反推得知材料的結(jié)構(gòu)。同時，借助儀器，研究者還可以做改變電子束電子能量的散射。電子具有一定的能量，散射后能量會減少，而能量守恒定理表明減少的能量其實是被某一個化學(xué)元素所吸收。研究者通過計算該元素的能量值，便可知材料里面是否具有某樣元素。

此技術(shù)其中的困難在于，需要使一個強電子束聚焦到能夠看到0.4個納米以內(nèi)。納米的長度是10-9米，一個原子晶格的大小差不多是0.3個納米，目前，空間分辨能力最高可以到0.4個埃（0.04納米）。只有這樣才能夠看到每一個原子及其相對移動。

中國現(xiàn)在有兩臺最新且有很高能量分辯率（~10 毫電子伏特）的電鏡，一臺在北京大學(xué)，一臺在中國科學(xué)院大學(xué)。我們自己沒有，但希望能夠和他們合作。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)化與革命

進(jìn)化的英文是evolution，革命的英文是revolution，兩者的區(qū)別只是前面的一個字母。但進(jìn)化和革命的區(qū)別究竟是什么？什么是進(jìn)化？什么是革命？

以照明為例，從蠟燭、到燈籠、到馬燈的技術(shù)進(jìn)展過程都屬于進(jìn)化，但只是技術(shù)上的進(jìn)化革新，因為它們本質(zhì)上還是通過火來產(chǎn)生光。但我們現(xiàn)在使用的電燈泡相比于馬燈就可以算作革命。電燈泡在最初就是讓電流通過鎢絲時產(chǎn)生熱量，螺旋狀的鎢絲不斷將熱量聚集，使得鎢絲的溫度達(dá)2000℃以上而處于白熾狀態(tài)，發(fā)出光來。但最大的問題在于，鎢絲產(chǎn)生的熱量比產(chǎn)生光的能量大許多，浪費了許多資源，因此后面改用LED發(fā)光二極管。

LED發(fā)光二極管的發(fā)光原理和最初的電燈泡完全不同，幾乎沒有熱能，消耗的能量也小許多。在我看來，電燈泡和LED發(fā)光二極管的發(fā)明都屬于技術(shù)上的革命。LED發(fā)光二極管的相關(guān)研究還曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎。但事實上，LED發(fā)光二極管并非一個重大的物理發(fā)現(xiàn)，只是對人們的日常生活非常重要，屬于進(jìn)化式的技術(shù)革命。

另一個進(jìn)化性的成就是有關(guān)2009年的諾貝爾物理學(xué)獎（類似于LED發(fā)光二極管相關(guān)研究的諾獎）：光傳輸研究和CCD傳感器，獲得者里有一個中國人，名叫高錕。高錕當(dāng)時是英籍。他在1966年7月寫了一篇文章，從理論上證明，如果把石英的雜質(zhì)完全剔除，石英玻璃便可以做光纖的首選材料，促進(jìn)光通信的發(fā)展。

光通信最大的問題在于強度消耗大。20世紀(jì)60年代初，許多人也曾提到用光做通信，但常常因能量消耗大而放棄。高錕提出的一個理論表明，光通信可以傳輸10公里而不是認(rèn)為的20米，但當(dāng)時沒有人相信。他自從1966年7月寫了一篇文章闡釋開始，并在1966年到1970年之間四處游說，找人合作做實驗，花費了許多精力。直到1970年，康林公司的一種光纖才證實了高錕的理論。光通信自此開展，工業(yè)界也逐漸開始使用光纖，直到如今，電視機依然在用光纖傳輸信號。

CCD的發(fā)明是對人類影像的記錄方式的顛覆。早先的照相機使用的是膠卷，照相原理就是將感光材料放到塑料片上并由此聚焦成像。CCD傳感器的發(fā)明很有意思，是波義耳和史密斯在1969年10月的某天吃午飯時的突發(fā)奇想所得。CCD實際上并沒有非常重大的新科學(xué)發(fā)現(xiàn)，就是利用金屬-氧化物-構(gòu)造而成的一個名為MOS的電容器件，工作原理更是愛因斯坦早在1905年就已提出：金屬材料被光照后會激發(fā)電荷，從而產(chǎn)生電信號，人們記錄該信號便可知光照究竟怎樣。MOS電容器是成像的基本前提，越輕越小越好。現(xiàn)在的納米技術(shù)已經(jīng)可以把電容器做得非常之小，能夠用很小的像素導(dǎo)出高清晰度的圖像。CCD的原理并不復(fù)雜，但最關(guān)鍵的不在于基本原理的理解和突破，而在于在技術(shù)上如何把各個微小像素信號電路連起來。

貝爾實驗室是做凝聚態(tài)物理技術(shù)革命的一個非常重要的單位。截至目前，貝爾實驗室最偉大的發(fā)明是三極管。三極管就是在二極管的基礎(chǔ)上加了一個級，從而能夠控制原始的信號，并且將其放大。關(guān)于晶體管，不得不提到三個人，他們分別是一個實驗物理學(xué)家和兩個理論物理學(xué)家，其中一個理論物理學(xué)家便是大名鼎鼎的巴丁。

這三人在貝爾實驗室一同研制如何把晶體管的信號放大。晶體管只有三級，能夠控制電流。事實上，原始相應(yīng)的真空管在1904年就被發(fā)明出來，但制作非常麻煩，需要很大的玻璃管。在真空管被發(fā)明出的幾十年后，三人發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體可做真空管的裝置。實際上，晶體管也許是20世紀(jì)最重要的發(fā)明，現(xiàn)代的半導(dǎo)體工業(yè)都來自于晶體管。

貝爾實驗室最輝煌的時期是20世紀(jì)50年代至70年代，在這期間獲得了許多諾貝爾獎，但后面尤其是90年代后逐漸沒落。許多人一直想振興貝爾實驗室，上面的領(lǐng)導(dǎo)也向下施壓，要求必須做出成果，這是貝爾實驗室“造假事件”的導(dǎo)火索。

在2000年至2001年之間，一個名為揚·舍恩的人一共寫了9 篇 Science 與 7 篇 Nature，但后來被發(fā)現(xiàn)文章造假。舍恩作假的心態(tài)很簡單。在90年至00年期間，包括我自己在內(nèi)，要找到一份不錯的工作，在Science和Nature上發(fā)表的文章數(shù)量是硬指標(biāo)。我覺得這種評價標(biāo)準(zhǔn)有很大的問題，會導(dǎo)致人們抱著急功近利的心態(tài)做科研，甚至還會出現(xiàn)造假事件。任何一件非常想要做的事，一定要有自由的思維，如果沒有，則很難真正實現(xiàn)。

前面提到了巴丁，巴丁叔叔非常有名，他是截至目前唯一一個獲得過兩次諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家。巴丁兩次得獎分別是因為發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)和闡明超導(dǎo)理論。值得一提的是，巴丁在1957年闡明超導(dǎo)理論時，已經(jīng)于1951年離開了貝爾實驗室。巴丁離開貝爾實驗室后，在伊利諾大學(xué)擔(dān)任教授，并在1955年將研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了超導(dǎo)研究。在研究期間，巴丁招收了博士后庫珀和研究生施里弗。他們?nèi)司墼谝黄穑芟胱龀鲆恍┯幸馑嫉臇|西。庫珀首先提出了庫珀對，這就是我前面提的電子配對，施里弗的數(shù)學(xué)功底特別好，把相應(yīng)量子公式推了出來，三人憑此在1972年共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

我想講的第三個凝聚態(tài)物理的重大研究成果是發(fā)現(xiàn)巨磁阻現(xiàn)象并導(dǎo)致了自旋電子學(xué)的誕生。2007年，阿爾伯特.費爾和彼得·格林貝格爾因為發(fā)現(xiàn)巨磁阻（GMR）現(xiàn)象而獲諾貝爾物理學(xué)獎。在獲獎前，費爾和格林貝格一直在研究幾個材料電導(dǎo)問題包括如果加一個外場，電阻會有多大變化？

巨磁阻包含磁電阻效應(yīng)。鐵是磁性材料，有一定的磁極化方向，如果把鐵做成非常薄的、只有幾個原子層的膜，并在鐵膜中間插一層銅，他們發(fā)現(xiàn)，橫穿這三層膜的電導(dǎo)與其中的兩層鐵膜的相對極化方向有關(guān)：當(dāng)其相對平行時，電導(dǎo)最大（電阻最小），而當(dāng)它們相對反平行時，電導(dǎo)最小（電阻最大），要是能用外磁場來調(diào)控它們的相對方向，從而產(chǎn)生磁阻效應(yīng)。這也相當(dāng)于電路中的開關(guān)現(xiàn)象。這種磁開關(guān)和二極管開關(guān)完全不同，磁開關(guān)通過磁性所導(dǎo)致，是一種量子效應(yīng)。由于如此人工構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)有很大的磁阻效應(yīng)，故稱為巨磁阻現(xiàn)象。

巨磁阻效應(yīng)可以用作為探測器的工作機制，比如信用卡存的12345678的號碼，實際上就是一系列磁條。磁條的信號很弱，巨磁阻效應(yīng)能使磁條在被讀取時不被破壞。在感應(yīng)的時候如果有一個這樣的裝置，就能產(chǎn)生不同的電流，這就是所謂的傳感器。這個傳感器被用到了手機上，因為手機需要既小巧又靈敏，在定量上這是咋回事呢？

如果給一個純金屬加一個外磁場，最多使金屬的電阻增加2%。運動電子在外磁場下會受力偏轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致電阻增加。如果這材料是磁性材料，有內(nèi)磁矩，加外場就會是它們的取向轉(zhuǎn)到外場方向，使得原來并不整齊排列的磁矩“隊伍”變得有秩序。因此這個時候材料的電阻會由于減小它們對電子的散射而下降。原理本身很簡單，可以理解為穿過一片森林時，森林里的每棵樹就是一個磁極和指南針，如果指南針排得很好，另外一個指南針就可以沿著非常直的空間穿過。問題在于，如果要使探測方便，需要一個足夠大的變化的電阻。1994年，IBM用另外一種疊加的方法把這個材料做到了極致，使其在每平方英寸里可以產(chǎn)生5G比特的記憶，這是以前所沒有的。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)的土壤和環(huán)境

圍繞目前國內(nèi)科學(xué)研究存在的問題，結(jié)合自己的經(jīng)歷，我談?wù)勛约旱母邢搿?/p>

諾貝爾獎的獲得情況當(dāng)然不是給出科研成就的最好且唯一的判據(jù)，但是的確能反映一些問題。自從諾貝爾獎成立以來，截至去年，美國共獲384個，日本共獲28個。我國也有幾個，但要看怎么計算。問題是，為什么美國能夠獲得如此多的諾獎？美國吸引了眾多人才是原因之一，但我覺得關(guān)鍵的原因在于，他們強調(diào)從小就有一種自由的、多元化的思維，強調(diào)個性。這里就涉及到國家間的文化和教育差異。

拿我兒子舉例。他三年級時曾獲得一個畫畫的獎，要求是畫自己的爸爸。在我兒子的畫里，我有一只手只有三個手指。在國內(nèi)給人畫像，如果一只手上只有三個手指，恐怕是很難及格的，但是我兒子反而卻得了獎。我想也許是因為他把我的形態(tài)畫得很有意思，有自己的想法。這個故事就是表明，做科研一定要有多元化的想法，這個想法最好還和別人的都不一樣。美國的許多小孩很少認(rèn)為自己和他人有一樣的點是好事，都是更看重自己獨特的點。

實際上做出頂級科學(xué)成就的人只有少數(shù)天才，特別是數(shù)學(xué)和物理，的確需要少數(shù)天才，除此之外其他人都是“打工”。但社會需要給天才真正的自由空間。我是1978年上大學(xué)，當(dāng)時《光明日報》頭版頭條報道了天才少年寧鉑。寧鉑在13歲或可能更小的時候，就已經(jīng)把《本草綱目》里的每個字都全部記住，據(jù)說9歲時便熟知諸多中醫(yī)藥理。寧鉑還很擅長圍棋，我曾經(jīng)去他宿舍看他下棋。1977年恢復(fù)高考時，12歲的寧鉑一舉考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，又在次年被選送少年班，轟動全國。開玩笑地說，當(dāng)時國內(nèi)知道寧鉑的人可能比知道華國鋒的還多。但是寧鉑進(jìn)入少年班后并沒有延續(xù)“天才”的光芒，最后遁入空門，成為了一個心理咨詢方面的和尚。

寧鉑之所以“傷仲永”，我認(rèn)為是因為當(dāng)時的社會沒有給他足夠的自由空間，而是給他太大的壓力。大家都很熟悉喬布斯和比爾·蓋茨的故事，他們兩人都沒拿到大學(xué)文憑，喬布斯在還沒畢業(yè)之時就離開了哈佛。試想一下，如果我們的孩子將來在哈佛讀書，突然在第三年告訴我們他不想讀了，大家會怎么想？肯定是覺得不可思議：我一年花這么多學(xué)費，怎么能說不讀就不讀？

我一直在思考，如何鼓勵逆向的思維和執(zhí)著的研究。我覺得就目前的情況很難做到，包括美國。在以前的美國，基本上大部分科研人員都在大學(xué)里，但后來越來越多的人開始轉(zhuǎn)向國家實驗室或公司，直到90年代后公司倒閉潮，以及大公司對科研資助的大幅度減少，許多科研人員才重返校園。

80、90年代以前，美國的許多基金支持個人的研究。但后來美國的能源部、自然科學(xué)基金委設(shè)立了許多專項以支持團(tuán)隊式的科研。而當(dāng)時，討論如何組建團(tuán)隊就花費了許多時間，最后發(fā)現(xiàn)，很少有諾貝爾獎是從團(tuán)隊式的科研里面產(chǎn)生的。除了實驗高能物理，那里一篇文章就有一兩百人參與。但是像凝聚態(tài)物理這一行，越是團(tuán)隊式的研究似乎效率越低，顛覆式的發(fā)現(xiàn)往往都是從個人的想法和科研里產(chǎn)生。

這里就有一個問題：作為一個基金單位，如何資助科研工作者？如何挖掘有獨特想法的科研工作者？在以前的美國，如果你在某個研究方向做得特別好，基金會就會特地聯(lián)系你，撥錢，想做什么都行，但現(xiàn)在已經(jīng)沒有了。美國現(xiàn)在也有趕潮流的問題，今天是納米潮流，明天是拓?fù)洳牧铣绷鳎筇煊忠驗橹袊尼绕鸲兂闪孔油ㄐ懦绷鳌?/p>

如果科研的項目根本不符合當(dāng)下的熱點，就很難拿到資金，我也不知道沒有資金支持該如何科研。許多獲得諾貝爾獎的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)，都不是預(yù)先想到的，也并非一定要得諾獎才做科研，相反，許多諾獎都來自于做科研時的偶然發(fā)現(xiàn)。

最后我想從文化和教育上談?wù)勅绾翁魬?zhàn)權(quán)威。就凝聚態(tài)物理而言，很遺憾，目前除了拓?fù)洳牧涎芯浚艺J(rèn)為我們還沒有一個真正引領(lǐng)研究“潮流”的原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)。然而現(xiàn)在的科研許多時候是在跟風(fēng)。

在美國物理學(xué)會的年會，都會有一些非常重要的邀請報告，每個都長達(dá)30分鐘，報告一年里做的最有意思的東西。許多人會很注重去聽這些報告，以此捕捉大熱點。但其實如果你不是里面的報告人，而且也還沒有真正做了相關(guān)的研究，我覺得就沒有必要去特別注重，為什么？因為這表明你自己在這研究上已經(jīng)落后了，與其去追熱點，不如讓自己在第二年成為新熱點的報告人。

除此之外還有科研裝置的問題。我們買了許多儀器，動輒就是幾百萬到幾億的費用。一些領(lǐng)域還需要許多大裝置，比如80年代建造的合肥同步輻射光源。但我很想知道像這樣大裝置，其重要的科研產(chǎn)出如何？上海光源成果如何，還需要我們拭目以待。現(xiàn)在，北京在懷柔又要做一個同步輻射光源，聽說在鄭州和南方還要分別做兩個光源。但具有裝置只是第一步，關(guān)鍵的是裝置能發(fā)揮什么作用、產(chǎn)出多少令人信服的重要科研成果。

還有科研評估的問題。現(xiàn)在教授們?nèi)ヂ牣厴I(yè)生做畢業(yè)論文的報告，評語寫得一個比一個好，很少有人寫論文的問題是什么。最后就是帽子問題。現(xiàn)在的年輕人需要的帽子太多了。要是科研工作者想的都是如何去拿這些帽子，而不是靜下心來做些真正的研究，那就麻煩了。

世界知識產(chǎn)權(quán)組織在去年發(fā)布了一個2021年全球創(chuàng)新指數(shù)，前三名分別是瑞士、瑞典和美國，中國排名第十二位，日本位居第十三位。許多人對此很高興，認(rèn)為中國超過了日本。但其實不然，我們要看這個創(chuàng)新指數(shù)如何計算。創(chuàng)新指數(shù)要看幾個方面，如受教育人群、市場、專利的數(shù)量、實用新型專利的數(shù)量。實際上，中國的排名能夠靠前，很大程度上得益于龐大的受教育人群，并非表示我們的創(chuàng)新能力就很強了。

制約我國創(chuàng)新發(fā)展的因素有許多。第一是制度，這里專指科研領(lǐng)域的制度。我國的科研制度在全世界排名六十多位，這就成了許多創(chuàng)新研究特別是原創(chuàng)研究的障礙。

第二是基礎(chǔ)研究的投入不夠。以2021年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，如果不看總量看比例，我國基礎(chǔ)研究的總投入僅占研究總投入的5.2%，而美國則接近20%。我們的投入僅僅是美國的1/5。從比例上看如此，絕對數(shù)則更不必提，盡管我們的GDP總量世界排名第二。這是一個大問題，會影響到一些真正具有顛覆性的技術(shù)的發(fā)明。

第三是科技成果的轉(zhuǎn)化率低，同樣用2021年的暑假，我國目前只有大約10%，西方國家則有40%。科技成果的轉(zhuǎn)化率主要包括科技成果的實際影響。現(xiàn)在國內(nèi)的許多專利都是用錢買的，我才回來還不到一年，就有不少人打電話問我需不需要買專利。我們的專利數(shù)量是世界第一，占全世界總量的16%。總量多，但其實科技成果的轉(zhuǎn)換率很低。

第四，也是最關(guān)鍵的，我國缺少原創(chuàng)性的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)。我們很少有企業(yè)愿意將錢投入到創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)創(chuàng)新的長期研究上，也不愿意去發(fā)展一些新的技術(shù)。比如芯片，大家就覺得能直接買何必自己花錢研究，所以這塊就一直被別國卡脖子。

最后我相信，科技創(chuàng)新無邊界的。

【提問環(huán)節(jié)】

問：第一個問題，掃描透射電子顯微鏡的價格很貴，是我國目前被卡脖子的一點，具體是什么方面被卡脖子？第二個問題，我國目前和世界上的其他科技強國差距還比較大，那我們在世界上領(lǐng)先的部分是什么？

張堅地：我講個故事。有一個旅客到瑞士去旅游，中途發(fā)現(xiàn)自己的瑞士手表壞了，就找了一個街頭的修表工匠修表。這個旅客在離開瑞士的當(dāng)天去修表店取手表，對修后的手表很滿意，但工匠執(zhí)意表示手表雖然已經(jīng)能夠工作，但是還沒有修好，不能歸還客戶。

所以瑞士人做手表為什么能做得如此精致？就是工匠精神。我不清楚電子顯微鏡的具體哪一個部分最卡脖子。但是從知道電子顯微鏡的原理和把它制作出來完全是兩件事，要做一個電子顯微鏡需要諸如電磁透鏡等許多精密部件。電磁透鏡不是指玻璃做的透鏡，而是要使用一個可控的電磁場起到聚焦電子束的效果，這就要求控制電磁場的分布恰好合適，這個看似簡單但實則很不容易。把一個電子顯微鏡拆開看就是幾萬個小零件，需要把幾萬個零件的每一件都做到極致，這樣才能保證當(dāng)儀器組裝后正常運行，且具有高空間分辨率。

所以，在質(zhì)量管理方面，切忌“差不多就行了”。如果這句話能夠從我們的口頭禪里去掉，我們的科學(xué)技術(shù)將會有很大的發(fā)展。

第二個問題，我覺得在凝聚態(tài)物理，我們的拓?fù)洳牧戏矫嫜芯吭谌澜缍己茴I(lǐng)先。另外，我國像袁隆平的雜交水稻研究在全世界也是領(lǐng)先地位。

問：如何理解顛覆性的科學(xué)？

張堅地：這里的定義是相對諾貝爾獎來說，比如高溫超導(dǎo)、愛因斯坦的相對論，盡管后者并沒有獲得諾獎，但它也是對基礎(chǔ)科學(xué)有著本質(zhì)性，觀念性的顛覆。再比如普朗克的量子理論，當(dāng)時連普朗克自己都不敢相信，因為在19世紀(jì)，馬克斯韋爾和法拉第等人都認(rèn)為光在空間里面?zhèn)鞑サ臅r候就是波，所以量子、光子概念的提出就是顛覆性的物理發(fā)現(xiàn)。而像CCD傳感器一類，它把原來用感光材料做的成像技術(shù)全部變成了光信號，這是一個顛覆性的技術(shù)革命，但在科學(xué)上就是運用已知的光電效應(yīng)，因此不屬于顛覆性的科學(xué)。

問：京東、字節(jié)跳動等公司，在2016年左右瘋狂挖掘人才，許多微軟、Google、Facebook的人才都被它們成功挖走。但從去年開始，許多科學(xué)人才又回流到了學(xué)校去任教和科研，去年大廠對科研人才的要求也從“學(xué)術(shù)有影響、工業(yè)有產(chǎn)出”變?yōu)?ldquo;工業(yè)有產(chǎn)出、學(xué)術(shù)有影響”。和國外相比，國內(nèi)的人才，尤其是基礎(chǔ)研究的人才比較欠缺，在這方面，國外是怎么做的？

張堅地：在國外，如果大學(xué)或者研究所突然開始招攬人才，大部分和經(jīng)濟(jì)向好有關(guān)。比如在美國，各個大學(xué)拿到資金就可以招人，從某種角度上看有點像大煉鋼鐵，但是就總體而言，美國還是比較穩(wěn)定，除了幾次遭遇經(jīng)濟(jì)危機時，大學(xué)或研究所招攬人才的數(shù)量會下跌。避免基礎(chǔ)研究的人才欠缺，我覺得關(guān)鍵是有正確的，長期穩(wěn)定的政策和足夠的基金支持。

對于國內(nèi)2016年的大量搶人現(xiàn)象，我不知道當(dāng)時是否是因為刮了什么風(fēng)，因為我們跟風(fēng)很厲害。我記得在14、15年的時候，由于量子計算機的相關(guān)研究開啟，量子通信的風(fēng)潮很旺，當(dāng)時有人表示10年之內(nèi)要讓國人都能使用量子通信。

問：人才回歸學(xué)校不一定是壞事，相反可能會促使人才沉下心來做一些基礎(chǔ)性的科研工作。我們應(yīng)該如何判斷學(xué)術(shù)和商業(yè)之間的關(guān)系？兩者的結(jié)合之處在哪里？

張堅地：人才在成熟之后，可能還是會進(jìn)入企業(yè)去做產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，斯坦福就是一個非常特殊的例子。許多斯坦福的大學(xué)生都有一個共識：一畢業(yè)就去硅谷。許多教授如果能在凝聚態(tài)物理、生物工程等方面做一些技術(shù)上的研究，也會有機會進(jìn)入企業(yè)，甚至自己創(chuàng)業(yè)。

美國的許多大學(xué)里設(shè)有企業(yè)孵化器，這個孵化器能夠提供一個諸如辦公室的空間，讓學(xué)生、教授自主創(chuàng)業(yè)。美國還有國家基金委員會、教育科技投資基金等，專門拿出一部分錢支持大學(xué)教授和公司的合作。這個其實就關(guān)系到科學(xué)技術(shù)的轉(zhuǎn)化率。我不知道這些國內(nèi)有沒有這種孵化器，但有也只是最基本的前提，能否成功又是另外一回事。

問：在中國和美國做科研的體會是怎樣的？

張堅地：我在2000年就進(jìn)入了（中科院）物理所，當(dāng)時我也是第一次來，后面許多時候我是在暑假來一段時間然后又離開。我之所以決定去年回國，是因為我覺得在物理所的許多時候都有自由討論的機會。物理所的氛圍也挺好，比我在美國的單位還是要強許多。因為在我原單位真正做凝聚態(tài)物理的人只有十幾人，而物理所有兩三百多個科研人員，也有許多從國外回來的，只不過很多比我年輕一些，我也很高興年輕人愿意和我討論。

（經(jīng)濟(jì)觀察報 記者 瞿依賢 實習(xí)生 王雅婷/整理）