「经观讲堂第17期」张坚地从量子科学的打破看科技立异
【经观讲堂】系经济调查报社年度培训项目，聘请来自经济、传媒、科学、文明、法令、商界等领域出名人士教学常识与新知，共享经典和立异，是助力前进经观内容质量和传达影响的翻开型课堂。这篇文章根据在物理学家张坚地【经观讲堂】上的讲话收拾。
张坚地，表面物理国家要点实验室超卓研讨员、北京凝集态物理国家研讨中心首席科学家，美国物理学会（aps）会士。首要研讨方向为实验凝集态与材料物理领域，特别是对相关物质在对称性破缺和维度降低条件下演生的新式量子态的研讨。
量子力学的诞生
1993年，ibm在nature上宣告了一篇文章。在这篇文章里，我们初度用扫描地道显微镜直接演示了电子的不坚决性。电子的二重性，即电子有时体现出粒子，有时则体现出波的方法。
波和粒子不一样，波的性质反映的是电子以一种接连的空间分布的方法存在，粒子在经典意义上就是在空间中以一个点的方法存在。这图里呈现了用扫描地道显微镜调查被48个铁原子圈着的铜表面电子的行为。假定在这表面上的电子是朴实以粒子体现的，那它们在扫描地道显微镜的调查成像就大约呈颗粒状，不大约是驻波纹状。这儿说的是在这被48个围着的电子以波的体现呈现出来。
20世纪初，1911年，我国改造轰轰烈烈，比方辛亥改造。在其时，我国的全体改变是推翻封建王朝。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，体现于两次索尔维会议（第一、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，比方我们都很了解的爱因斯坦和居里夫人，以及非常闻名的法国数学家亨利·庞加莱。在这个会议里，与会者一起谈论了量子的诞生。
1900年，普朗克初度提出“量子论”。量子论本身可以说明在20世纪初所无法说明的许多物理表象，可是普朗克其时不招认量子的存在，没有提出量子的概念，只是为说明黑体辐射时在数学推导上需要它。直到1905年，爱因斯坦才初度提出量子这一概念。
量子的概念其实非常简略。比方，用光照一块金属，假定这个光的频率满足高，金属里的电子就会跑出来，这就是光电效应。光电效应和光的强度没有联络，而是和光的频率有关。光电效应初度提出了光实践上不是接连的波，而是一个个量子，然后说明了光电子是或能从金属跑出来和光频率有关，而不是光强所抉择的。光也有二重性，它在空间传达时具有波性，但在和物质彼此作用时又会变成另外一种“性格”。在和物质彼此作用时，光会以量子的方法和其他粒子进行彼此作用，这就是“量子”的初步。凭仗这个发现，爱因斯坦在1921年获得诺贝尔物理学奖。
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，因为从没有一个如此小规划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。我们都晓得经典力学，而量子力学的奠定就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共处在同一个量子态里，反之则是玻骰子；这是物理学里两种形状的根柢粒子。正因如此，索尔维会议被称为奠定了现代物理学的基础，现代凝集态物理的打开几乎也是从这个会议初步。
凝集态物理、超导和材料
原子的里边有原子核，外面有电子。可以愿望，咱们选用不一样的堆法，将许多原子逐渐地堆在一同，堆完这些原子今后构成的物质会有啥性质。从原子进入到分子，可以会在最终堆成一个有跨越1023个原子的物质。假定堆得比照好的话，还可以堆成一个非常有规则的物质——这就咱们一般说的晶体。
晶体有必定的规划和周期性。举个不太恰当的比方，一个一维的晶体就像一队笔直做核酸的长队，排队时两米一人，因而咱们说又必定的周期性，假定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。假定人与人之间的相对方位不变，即根柢呈静态，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，因而对应于凝集态的软物质类型。
凝集态物理实践上就是了解凝集态物质的性质，所以假定给凝集态物理一个非常广泛的界说，就是从事于由原子间电磁彼此作用所发生的物质（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，凝集态物理实践上只需要三样要素：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根柢粒子中存在镜面临称性破缺（致使所谓宇称不守恒），并凭此在1957年获得了诺贝尔物理学奖。其时根柢没有人信赖他们提出的对称性破缺，甚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。这或许是最快获得诺贝尔奖的一个理论。这个理论非常红功，因为是先有理论上预言，然后当即就得到了实验上证明。只是很怅惘的是，吴健雄先生其时并没有获得诺奖。
下面我说明一下凝集态因为许多原子不一样堆积而演生的表象。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，两人随后凭此获得了诺贝尔化学奖。碳60非常对称，更有意思的是，假定把三个碱金属（在化学周期表的第一列元素）原子堆到每个碳60上，就可以使之对应材料构成超导。要是再进一步堆成更为凌乱的化合物晶体，犹如这个富含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接近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。
这些表象都阐明：把原子堆在一同后，物质会发生纷歧样的性质，而这些性质并非来自于单个的原子。有一种非常有意思的材料来自于碳原子：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（迩来邻有3个碳原子），但假定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非常感快乐喜爱，因为这意味着构成的物质将是钻石。
“咱们一般认为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地舆学家艾丁顿。为啥1+1会>2？这就是咱们物理学里边很有必要阐明的一个疑问。一个粒子体系出来的物理性质和每个单一的粒子的性质完全纷歧样，这是凝集态物理里一个非常重要的研讨课题。凝集态物理研讨的根柢粒子彼此作用不过乎就是电磁彼此作用，人体之所以可以构成至如今的形状，不过乎也是因为电磁彼此作用。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个想要的规划后，发现会呈现出和正本完全纷歧样的物理性质，这就是咱们在做的作业，是凝集态物理里一个非常重要的研讨课题。对电磁彼此作用本身的了解现已非常清楚了（没有诺贝尔奖可得了），可是假定经过把原子堆在一同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迹（原则上也是堆原子、分子，根柢彼此作用也是电磁彼此作用）。人类开始不过是一团毫无规则的细胞，最终却奇特地、自觉地逐步长成了四肢完全的婴儿。人的根柢成分是碳、氢、氮、氧，氧的含量最多，这么多的分子被规划出来，在每一个进程里就是一种演化和呈现的表象。
究竟极的在于，咱们如何了解一自个从如此简略的原子初步，进化到如今如此凌乱的生命形状。这个进化进程里的许多物理进程实践上都是量子的进程，只是咱们暂时还没有办法了解，因为生命的发生和进化本身就是一个非常凌乱的演化进程。1952年，沃森和克里克经过x射线衍射发现，人类的dna大有些都是右螺旋。我就在思考，人的心脏为啥在左面、肝脏在右边？有没有反过来的？dna为啥大有些都是右螺旋？
回到超导。啥是超导？用物理的视点来讲，首要，超导就是一种集体的量子态。给超导材料逐渐降温，当温度降到某一个临界点以下，材料的电阻就会变至0，其次，一些超导体具有抗磁性，在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体。这儿演示的是在超导材料的上面放置一块磁铁，然后用液氮冷却超导材料使其进入超导态，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（超导态不见），磁铁才会从空中掉下去。磁铁之所以可以浮在空中，缘由就在于超导体与磁铁的磁场之间会发生架空力，磁铁受力后浮在半空中。
导体是啥？一般来讲，材料根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“安适”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），因为电子在导体里活动的时分，不是在一个安适的空间里活动，而是会碰到自个同类电子和原子核（所谓散射），然后发生电阻，而磕碰一起也会伴随有热量发生。
但超导是没有电阻的，那是为啥？为啥超导体内的电子不再会散射？答复其微观上机制不是一件简略的事。在常规超导材料里，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。但电子成对的情况一般很难呈现，因为两个具有相同电荷的电子会彼此架空。电子对的招引需要经过晶格发生一个彼此作用，一旦电子成对并以一个正确的方法运动，晶格就能和电子协作得特别好致使超导。所以超导实践上就是一种集体的，多粒子协作而构成的量子态。
除了降低温度以外，如今，假定有约170万个大气压的高压就有可以在常温环境中发生超导表象。实际上，常温超导无疑也是当前凝集态物理一个非常重要的研讨方向。当前，国表里有许多人在重视超导体系，赵忠贤院士就是其间之一。我们都非常完成常温超导，因为常温超导不只是是学科上的一大打破，在工业上也将有非常广泛的使用。
20世纪另一项巨大的技能改造是啥呢？我认为是半导体，特别是硅半导体的发现与使用。硅有许多利益，比方存量无量，沙滩上就有许多的氧化硅。但疑问在于：尽管我国的太阳能电池产量当前已位居世界第一，但高纯度原材料大有些都是从国外进口，如美国硅谷，假定不卖材料给咱们，咱们将面临工业断层的风险。
工业上对硅的纯度需求很高，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，就会使其发生不一样的性质。假定把两个不一样掺法的硅放在一同构成一个界面，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。因为界面上有一个坎，就像人假定要从田埂走过，向下比向上非常好走。这就是二极管的根柢图像，一起也告诉咱们：“界面就是器件”（来自于诺奖获得者赫伯特·克勒默的名言）。
到了21世纪，如何堆成一个凌乱的、但具有自个想要的多功用相关化合物和低维度材料变成研讨的一大抢手。比方迩来20年来，低维材料有闻名的单层石墨，即石墨烯，凌乱相关材料做的最多的就是过渡金属氧化物。可是就当前而言，若要经过各种改性的办法得到真实有用的功用材料，还有很远的路要走。
那么啥是凌乱强相关（即强耦合）材料？一般来说，材料里不过乎是电、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攻略针，攻略针的不一样方向能给出完全不一样的物理状况。在一个凌乱材料里，有着不一样的安适度，电荷、自旋、轨迹、以及晶格，假定它们之间有很强的耦合，咱们就称之为强相关材料。
我如今研讨的不只是制造耦合材料，还发生界面。将材料a和材料b生长在一同，构成异质界面。这可经过损坏材料的对称性来改动相关材料的各种不一样耦合，然后引出正本所没有的新的界面物理性质。我刚刚说到的二极管就是这样。但这需要花许多精力，首要就是要把材料的界面做成原子级平坦。
界面里有许多非常有意思的表象，比方两个绝缘体被放在一同可以会变成超导。界面上还可以构成各种磁性的规划，例如构成叫做?垢衩髯印钡墓婊铮恳桓黾反硪桓鲈拥姆轿簧系囊桓龃啪兀⒒嵩谌迳瞎钩勺舐菪陀衣菪募遄纯觥?br>
假定把这种规划界说成一个新的准粒子，一个原子就是一个自旋，几十个甚至几百个原子就可以构成一种非常特别的?垢衩髯印毙巫矗葱碌淖孕孔犹Ｕ飧隽孔犹募て鹉芰亢驼镜ヒ蛔孕募て鹉芰坎灰谎＜俣ㄒ桓隽孔犹搅硪桓隽孔犹璧募て鹉芰啃。突岱浅＠谥圃炱骷Ｕ庋菔臼俏以诿拦ッ囊瞧骺梢栽诔哒婵绽锉弑碚髯愿錾さ牟牧稀３吮碚鞑牧贤猓剐璨檠椴牧系母苄灾省⒉⒔徊酱永砺凵狭私獠牧稀Ｗ钪杖绾伟巡牧媳涑稍诩寄苌嫌杏玫亩鳎亲钜Φ囊晌省?br>
最敏锐的?邸?br>
我下面要讲到一个仪器。把材料从横截面切成一个薄片，然后用一个电子束从横截面打曩昔，就可以扫描界面的情况。扫描图像给了咱们横截面上原子的方位、化学成分等。咱们可在原子标准上生长材料，也可以在原子标准上表征。比方在一个单晶膜里插了一层纷歧样的原子，咱们这会将其物性完全改动。要做到只插一个原子层非常不简略，而这扫描仪器就是咱们做凝集态物理的一个双眼。
之所以要特别说到这个仪器，是因为它是咱们当前卡脖子的技能之一。这个仪器叫扫描透射电子显微镜，我国当前现已有许多台高端电镜，但全都从国外进口，有来自日本，有来自美国，每一台需要花费至少400-500万美金。
这个仪器恰当于一双?邸薄１确窖刑志迨保枰桓黾仁橇Ｗ佑质遣ǖ牡缱邮２ň陀懈捎牒脱苌洌跃Ц竦难苌浠蛏⑸淇缮赏枷瘢刑终弑隳芊赐频弥牧系墓婊Ｒ黄穑菊桃瞧鳎刑终呋箍梢宰龈亩缱邮缱幽芰康纳⑸洹５缱泳哂斜囟ǖ哪芰浚⑸浜竽芰炕嵯骷酰芰渴仄轿壤肀昝飨骷醯哪芰科涫凳潜荒骋桓龌г厮铡Ｑ刑终呔怂愀迷氐哪芰恐担憧芍牧侠锉呤遣皇蔷哂心逞亍?br>
此技能其间的困难在于，需要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，当前，空间分辩才能最高可以到0.4个埃（0.04纳米）。只需这样才干够看到每一个原子及其相对移动。
我国如今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）。咱们自个没有，但期望可以和他们协作。
科学技能的进化与改造
进化的英文是evolution，改造的英文是revolution，两者的差异只是前面的一个字母。但进化和改造的差异究竟是啥？啥是进化？啥是改造？
以照明为例，从蜡烛、到灯笼、到马灯的技能发展进程都归于进化，但只是技能上的进化改造，因为它们本质上仍是经过火来发生光。但咱们如今运用的电灯泡比较于马灯就可以算作改造。电灯泡在开始就是让电流转过钨丝时发生热量，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，宣告光来。但最大的疑问在于，钨丝发生的热量比发生光的能量大许多，浪费了许多本钱，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始的电灯泡完全不一样，几乎没有热能，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发光二极管的有关研讨还曾获得诺贝尔物理学奖。但实际上，led发光二极管并非一个严峻的物理发现，只是对我们的往常日子非常重要，归于进化式的技能改造。
另一个进化性的成就是有关2009年的诺贝尔物理学奖（类似于led发光二极管有关研讨的诺奖）：光传输研讨和ccd传感器，获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，假定把石英的杂质完全除去，石英玻璃便可以做光纤的首选材料，推进光通讯的打开。
光通讯最大的疑问在于强度耗费大。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扔掉。高锟提出的一个理论标明，光通讯可以传输10公里而不是认为的20米，但其时没有人信赖。他自从1966年7月写了一篇文章阐释初步，并在1966年到1970年之间四处游说，找人协作做实验，花费了许多精力。直到1970年，康林公司的一种光纤才证明晰高锟的理论。光通讯自此打开，工业界也逐步初步运用光纤，直到如今，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方法的推翻。新近的照相机运用的是胶卷，照相原理就是将感光材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实践上并没有非常严峻的新科学发现，就是使用金属-氧化物-规划而成的一个名为mos的电容器件，作业原理更是爱因斯坦早在1905年就已提出：金属材料被光照后会激起电荷，然后发生电信号，我们记载该信号便可知光照究竟怎样。mos电容器是成像的根柢条件，越轻越小越好。如今的纳米技能现已可以把电容器做得非常之小，可以用很小的像素导出高清楚度的图像。ccd的原理并不凌乱，但最要害的不在于根来历理的了解和打破，而在于在技能上如何把各个细小像素信号电路连起来。
贝尔实验室是做凝集态物理技能改造的一个非常重要的单位。到当前，贝尔实验室最巨大的创造是三极管。三极管就是在二极管的基础上加了一个级，然后可以控制初始的信号，而且将其扩展。关于晶体管，不得不说到三自个，他们别离是一个实验物理学家和两个理论物理学家，其间一个理论物理学家就是台甫鼎鼎的巴丁。
这三人在贝尔实验室一同研发如何把晶体管的信号扩展。晶体管只需三级，可以控制电流。实际上，初始相应的真空管在1904年就被创造出来，但制造非常费事，需要很大的玻璃管。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。
贝尔实验室最光辉的时期是20世纪50年代至70年代，在这时刻获得了许多诺贝尔奖，但后边特别是90年代后逐步式微。许多人一向想复兴贝尔实验室，上面的领导也向下施压，需求有必要做出作用，这是贝尔实验室“造假作业”的导火索。
在2000年至2001年之间，一个名为扬·舍恩的人一共写了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年时刻，包括我自个在内，要找到一份不错的作业，在science和nature上宣告的文章数量是硬方针。我觉得这种评价标准有很大的疑问，会致使我们抱着急于求成的心态做科研，甚至还会呈现造假作业。任何一件非常想要做的事，必定要有安适的思维，假定没有，则很难真实完成。
前面说到了巴丁，巴丁叔叔非常有名，他是到当前仅有一个获得过两次诺贝尔物理学奖的科学家。巴丁两次得奖别离是因为发现晶体管效应和阐明超导理论。值得一提的是，巴丁在1957年阐明超导理论时，现已于1951年脱离了贝尔实验室。巴丁脱离贝尔实验室后，在伊利诺大学担任教授，并在1955年将研讨领域转向了超导研讨。在研讨时刻，巴丁接收了博士后库珀和研讨生施里弗。他们三人聚在一同，很想做出一些有意思的东西。库珀首要提出了库珀对，这就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年一起获得了诺贝尔物理学奖。
我想讲的第三个凝集态物理的严峻研讨作用是发现巨磁阻表象并致使了自旋电子学的诞生。2007年，阿尔伯特.费尔和彼得·格林贝格尔因为发现巨磁阻（gmr）表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材料电导疑问包括假定加一个外场，电阻会有多大改变？
巨磁阻包括磁电阻效应。铁是磁性材料，有必定的磁极化方向，假定把铁做成非常薄的、只需几个原子层的膜，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。这也恰当于电路中的开关表象。这种磁开关和二极管开关完全不一样，磁开关经过磁性所造成的使，是一种量子效应。因为如此人工构筑的异质结有很大的磁阻效应，故称为巨磁阻表象。
巨磁阻效应可以用作为勘探器的作业机制，比方诺言卡存的12345678的号码，实践上就是一系列磁条。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。在感应的时分假定有一个这样的设备，就能发生不一样的电流，这就是所谓的传感器。这个传感器被用到了手机上，因为手机需要既细巧又活络，在定量上这是咋回事呢？
假定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致使电阻添加。假定这材料是磁性材料，有内磁矩，加外场就会是它们的取向转到外场方向，使得正本并不规整摆放的磁矩“部队”变得有次序。因而这个时分材料的电阻会因为减小它们对电子的散射而降低。原理本身很简略，可以了解为穿过一片森林时，森林里的每棵树就是一个磁极和攻略针，假定攻略针排得极好，另外一个攻略针就可以沿着非常直的空间穿过。疑问在于，假定要使勘探便利，需要一个满足大的改变的电阻。1994年，ibm用另外一种叠加的办法把这个材料做到了极致，使其在每平方英寸里可以发生5g比特的回想，这是早年所没有的。
科学发现的土壤和环境
环绕当前国内科学研讨存在的疑问，联系自个的阅历，我谈谈自个的感触。
诺贝尔奖的获得情况当然不是给出科研作用的最佳且仅有的判据，可是的确能反映一些疑问。自从诺贝尔奖树立以来，到上一年，美国共获384个，日本共获28个。我国也有几个，但要看怎么核算。疑问就是，为啥美国可以获得如此多的诺奖？美国招引了许多人才是缘由之一，但我觉得最要害的缘由在于，美国人偏重从小就有一种安适的、多样化的思维，而非共同的思维。这儿就触及到国家间的文明和教育差异。
拿我儿子举例。他三大学时曾获得一个画画的奖，需求是画自个的父亲。在我儿子的画里，我有一只手只需三个手指。在国内给人画像，假定一只手上只需三个手指，恐怕是很难及格的，可是我儿子反而却得了奖。我想或许是因为他把我的形像画得很有意思，有自个的主意。这个故事就是标明，做科研必定要有多样化的主意，这个主意最佳还和别人的都纷歧样。美国的许多成人很少认为自个和别人有相同的点是功德，都是更垂青自个一起的点。
实践上做出顶级科学作用的人只需少量天才，特别是数学和物理，的确需要少量天才，除此之外其别人都是“打工”。但社会需要给天才真实的安适空间。我是1978年上大学，其时《光亮日报》头版头条报导了天才少年宁铂。宁铂在13岁或可以更小的时分，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。宁铂还很擅长围棋，我早年去他宿舍时就看见他鄙人棋。1977年恢复高考时，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。开玩笑地说，其时国内晓得宁铂的人可以比晓得华国锋的还多。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，变成了一个心思征询方面的和尚。
宁铂之所以“伤仲永”，我认为是因为其时的社会没有给他满足的安适空间，而是給他太大的压力。我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，假定咱们的孩子将来在哈佛读书，俄然在第三年告诉咱们他不想读了，我们会怎么想？必定是觉得不凶咴思议：我一年花这么多学费，怎么能说不读就不读？
我一向在思考，如何鼓舞逆向的思维和执着的研讨。我觉得就当前的情况很难做到，包括美国。在早年的美国，根柢上大有些科研人员都在大学里，但后来越来越多的人初步转向国家实验室或公司，直到90年代后公司关闭潮，以及大公司对科研赞助的大高低削减，许多科研人员才重返学校。
80、90年代早年，美国的许多基金撑持自个的研讨。但后来美国的动力部、天然科学基金委树立了许多专项以撑持团队式的科研。而其时，谈论如何组成团队就花费了许多时刻，最终发现，很稀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。可是特别像凝集态物理这一行，越是团队式的研凑趣像功率就越低，推翻式的发现一般都是从自个的主意和科研里发生。
这儿就有一个疑问：作为一个基金单位，如何赞助科研作业者？如何发掘有一起主意的科研作业者？在早年的美国，假定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，想做啥都行，但如今现已没有了。美国如今也有赶潮流的疑问，今日是纳米潮流，明日是拓扑材料潮流，后天又因为我国的鼓起而变成量子通讯潮流。
假定科研的项目根柢不契合当下的抢手，就很难拿到资金，我也不晓得没有资金撑持该如何科研。许多获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如何应战声威。就凝集态物理而言，很怅惘，当前除了拓扑材料研讨，我认为咱们还没有一个真实引领研讨“潮流”的自创性科学发现。可是如今的科研许多时分只是在跟风。
在美国物理学会的年会，都会有一些非常重要的陈述，每个都长达30分钟，陈述一年里做的最有意思的东西。许多人会很注重去听这些陈述，以此捕捉大抢手。其实假定不是里边的陈述人，而且你也还没有真实做了有关的研讨，我觉得就没有必要去听，为啥？因为这标明自个在这研讨上现已落后了，与其去追抢手，不如让自个在第二年变成新抢手的陈述人。
除此之外还有科研设备的疑问。咱们买了许多仪器，动辄就是几百万到几亿的费用。一些领域还需要许多大设备，比方80年代缔造的合肥同步辐射光源。单位很想晓得像这样大设备，其重要的科研产出如何？上海光源作用如何，还需要咱们拭目而待。如今，北京在怀柔又要做一个光源，传闻在郑州和南边还要别离做两个光源。但具有设备只是第一步，最要害的是设备能发扬啥作用、产出多少令人服气的重要科研作用。
还有科研评价的疑问。如今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，很稀有人写论文的疑问是啥。最终就是帽子疑问。如今的年青人需要的帽子太多了。即就是院士，也都得一步一步往上走，但如今许多人就是做不到。要是科研作业者想的都是如何去拿这些帽子，而不是静下心来做些真实的研讨，那就费事了。
世界常识产权组织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。许多人对此很高兴，认为我国跨越了日本。但其实否则，咱们要看这个立异指数如何核算。立异指数要看几个方面，如受教育人群、商场、专利的数量、有用新式专利的数量。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，并非标明咱们的立异才能就很强了。
制约我国立异打开的要素有许多。第一是准则，这儿专指科研领域的准则。我国的科研发度在全世界排名六十多位，这就成了许多立异研讨特别是自创研讨的妨碍。
第二是基础研讨的投入不可。以2021年的计算数据为例，假定不看总量看比例，我国基础研讨的总投入仅占研讨总投入的5.2%，而美国则接近20%。咱们的投入只是是美国的1/5。从比例上看如此，必定数则更不必提，尽管咱们的gdp总量世界排名第二。这是一个大疑问，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，我国当前只需大约10%，西方国家则有40%。科技作用的转化率首要包括科技作用的实践影响。如今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要买专利。咱们的专利数量是世界第一，占全世界总量的16%。总量多，但其实科技作用的变换率很低。
第四，也是最要害的，我国短少自创性的创造或发现。咱们很稀有公司情愿将钱投入到创业基础科学和工程技能立异的长时刻研讨上，也不愿意去打开一些新的技能。比方芯片，我们就觉得能直接买何须自个花钱研讨，所以这块就一向被别国卡脖子。
最终我信赖，科技立异无鸿沟的。
【发问环节】
问：第一个疑问，扫描透射电子显微镜的价格很贵，是我国当前被卡脖子的一点，具体是啥方面被卡脖子？第二个疑问，我国当前和世界上的其他科技强国间隔还比照大，那咱们在世界上抢先的有些是啥？
张坚地：我讲个故事。有一个旅客到瑞士去旅行，中途发现自个的瑞士手表坏了，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，但工匠顽固标明手表尽管现已可以作业，可是还没有修好，不能偿还客户。
所以瑞士人做手表为啥能做得如此精美？就是工匠精力。我不理解电子显微镜的具体哪一个有些最卡脖子。可是从晓得电子显微镜的原理和把它制造出来完尽是两件事，要做一个电子显微镜需要比方电磁透镜等许多精密部件。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，这就需求控制电磁场的分布刚好适合，这个看似简略但实则很不简略。把一个电子显微镜拆开看就是几万个小零件，需要把几万个零件的每一件都做到极致，这样才干保证当仪器拼装后正常运转，且具有高空间分辩率。
所以，在质量
打点方面，切忌“差不多就行了”。假定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打开。
第二个疑问，我觉得在凝集态物理，咱们的拓扑材料方面研讨在全世界都很抢先。另外，我国像袁隆平的杂交水稻研讨在全世界也是抢先方位。
问：如何了解推翻性的科学？
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，尽管后者并没有获得诺奖，但它也是对基础科学有着本质性，观念性的推翻。再比方普朗克的量子理论，其时连普朗克自个都不敢信赖，因为在19世纪，马克斯韦尔和法拉第等人都认为光在空间里边传达的时分就是波，所以量子、光子概念的提出就是推翻性的物理发现。而像ccd传感器一类，它把正本用感光材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，但在科学上就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年支配张狂发掘人才，许多微软、谷歌、facebook的人才都被它们成功挖走。但从上一年头步，许多科学人才又回流到了学校去任教和科研，上一年大厂对科研人才的需求也从“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，特别是基础研讨的人才比照短少，在这方面，国外是怎么做的？
张坚地：在国外，假定大学或许研讨所俄然初步吸引人才，大有些和经济向好有关。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，可是就全体而言，美国仍是比照平稳，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下跌。避免基础研讨的人才短少，我觉得要害是有正确的方针和满足的基金撑持。
关于国内2016年的许多抢人表象，我不晓得其时是不是是因为刮了啥风，因为咱们跟风很凶狠。我记住在14、15年的时分，因为量子核算机的有关研讨翻开，量子通讯的风潮很旺，其时有人标明10年之内要让国人都能运用量子通讯。
问：人才回归学校不必定是坏事，相反可以会促进人才沉下心来做一些基础性的科研作业。咱们大约如何判别学术和商业之间的联络？两者的联系之处在哪里？
张坚地：人才在老到之后，可以仍是会进入公司去做工业使用，斯坦福就是一个非常特别的比方。许多斯坦福的大学生都有一个共同：一结业就去硅谷。许多教授假定能在凝集态物理、生物工程等方面做一些技能上的研讨，也会有机缘进入公司，甚至自个创业。
美国的许多大学里设有公司孵化器，这个孵化器可以供给一个比方单位的空间，让学生、教授自立创业。美国还有国家基金委员会、教育科技出资基金等，专门拿出一有些钱撑持大学教授和公司的协作。这个其实就联络到科学技能的转化率。我不晓得这些国内有没有这种孵化器，但有已暇最根柢的条件，能否成功又是另外一回事。
问：在我国和美国做科研的领会是怎样的？
张坚地：我在2000年就进入了（中科院）物理所，其时我也是初度来物理所，后边许多时分我就是暑假来一段时刻然后又脱离。我之所以抉择上一年回国，是因为我觉得在物理所的许多时分都有安适谈论的机缘。物理所的空气也挺好，比我在美国的单位仍是要强许多。因为在我原单位真实做凝集态物理的人只需十几人，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，我也很高兴年青情面愿和我谈论。
（经济调查报记者 瞿依贤 实习生 王雅婷/收拾）
