勤奮好學(xué)，追求科學(xué)真理，

踏實(shí)漸進(jìn)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新跨越。

褚君浩 · 中國(guó)科學(xué)院院士

中國(guó)科學(xué)院2025跨年演講

大家好，我是褚君浩，來自中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所。非常高興來到中國(guó)科學(xué)院2025跨年科學(xué)演講活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，我今天要講的內(nèi)容是《放飛科學(xué)夢(mèng)想，迎接智能時(shí)代》。

在18世紀(jì)，有以機(jī)械化為特征的第一次工業(yè)革命，當(dāng)時(shí)最主要的發(fā)明就是蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)的發(fā)明推動(dòng)了第一次工業(yè)革命，有了蒸汽機(jī)，耕牛、馬車、帆船就發(fā)展成了拖拉機(jī)、火車頭、輪船。

到了19世紀(jì)，有以電氣化為特征的第二次工業(yè)革命，它主要是從實(shí)驗(yàn)室開始的。由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里面發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，之后就有了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的發(fā)現(xiàn)也促進(jìn)了電氣化的進(jìn)程，推動(dòng)了第二次工業(yè)革命。

在20世紀(jì)的第三次工業(yè)革命中，我們發(fā)展了原子物理、量子力學(xué)、固體物理、現(xiàn)代光學(xué)和半導(dǎo)體等這些科學(xué)，推動(dòng)了電子技術(shù)、微電子技術(shù)、原子能技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等等的發(fā)展。第三次工業(yè)革命就可以說是信息化工業(yè)革命。

第一次工業(yè)革命機(jī)械化，第二次工業(yè)革命電氣化，第三次工業(yè)革命信息化。現(xiàn)在我們正處在信息化高度發(fā)展的時(shí)期，即將迎來的那個(gè)時(shí)代該用什么詞來描述呢？

那就是智能化的時(shí)代。它的特點(diǎn)就是智慧融入物理系統(tǒng)，人工智能融入物理世界。

這幾次工業(yè)革命的特征都是科學(xué)與技術(shù)交叉推動(dòng)，同樣，第四次工業(yè)革命的主要特征也是如此。

智能化的時(shí)代產(chǎn)生了很多智能化的系統(tǒng)，智能化的系統(tǒng)里面有兩個(gè)核心技術(shù)：一個(gè)是實(shí)時(shí)感知技術(shù)，這個(gè)相當(dāng)于人的五官，主要利用傳感器、芯片來實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)就是智慧分析技術(shù)，這個(gè)相當(dāng)于人的大腦，主要通過模型分析和大數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，我們也可以把感知跟分析融入同一個(gè)芯片里，那就是智能芯片。

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傳感器：智能時(shí)代的基石

我們現(xiàn)在做成了各種各樣的傳感器，它們能夠感知這個(gè)世界，就是因?yàn)槲镔|(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。光、聲、熱、電、磁，一直到生物學(xué)過程，都能夠互相轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)了這些互相轉(zhuǎn)化的規(guī)律，我們就能讓傳感器實(shí)現(xiàn)各種信息的傳感。

如果我們平時(shí)注意，就會(huì)發(fā)現(xiàn)日常生活中有很多傳感器的應(yīng)用。家里的相機(jī)、手機(jī)、游戲機(jī)，還有智能家電，各種傳感器在我們的生活中都發(fā)揮著重要作用。

汽車?yán)锩娴膫鞲衅骶吞貏e多，有壓力、溫度、位置、濃度、流量、聲音、光、電等等好多類型的傳感器。其中，壓力傳感器數(shù)量最多，有二十幾種，溫度傳感器也有十幾種，都分布在汽車的不同地方。

這是一個(gè)打乒乓球的智能化機(jī)器人，是上海一家高科技公司做的。它能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)感知，能“看見”這個(gè)球，也能分析這個(gè)球是怎么過來的，還能自動(dòng)做出反應(yīng)把這個(gè)球打回去。

我們現(xiàn)在有分子傳感器、化學(xué)傳感器還有各種物理傳感器，其中MEMS傳感器（Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）是非常重要的一類。它被做成了芯片形式的微小結(jié)構(gòu)，如果有光、聲、力、電磁等信號(hào)進(jìn)來，就會(huì)造成影響，使微小結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械行為應(yīng)變。而機(jī)械行為應(yīng)變又會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，所以我們把這種傳感器叫做微機(jī)電系統(tǒng)。利用這個(gè)原理，就可以制備光、熱、加速度、氣體、壓力等多種傳感器。

MEMS壓力傳感器在各個(gè)方面都有應(yīng)用，比如血壓計(jì)、呼吸機(jī)、手機(jī)等等其中都有MEMS壓力傳感器在工作。

智能制造也需要靈敏的傳感器。舉個(gè)例子，智能加工過程中非常重要的一件事就是要知道用于加工的刀具的壓力是否過大或者過小，有沒有發(fā)生一些特殊情況。

于是，我們把一種PVDF壓電薄膜（聚偏氟乙烯壓電薄膜）做成傳感器，把它安裝在了刀具上面，就能夠感知到刀具的壓力情況了。如果發(fā)生異常，它就可以及時(shí)采取措施。利用這樣的傳感技術(shù)，我們就可以做成智能刀具用于智能加工。這就是一類MEMS傳感器的應(yīng)用。

另一類比較重要的就是光電傳感器。光電傳感器是傳感器里面一個(gè)非常大的類。

我們見到的所有的光都是電磁波。按照波長(zhǎng)來說，波長(zhǎng)很長(zhǎng)的是無線電波，然后是微波爐里面的微波，波長(zhǎng)比較短的還有毫米波、太赫茲波（THz光）、紅外波、紅橙黃綠青藍(lán)紫各種可見光、紫外線、X射線、γ射線等等，波長(zhǎng)都不一樣。

我們利用不同波長(zhǎng)的電磁波，通過一個(gè)光電器件就可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，做成太赫茲探測(cè)器、紅外探測(cè)器、紫外探測(cè)器、X射線探測(cè)器、γ射線探測(cè)器等各種各樣的探測(cè)器，也可以做太陽能電池。

▲光伏型，光－器件兩端產(chǎn)生電壓

它里面有好多核心的過程，比如光打到我們的半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)構(gòu)里面，這個(gè)光就會(huì)激發(fā)電子-空穴對(duì)。電子是帶負(fù)電的，空穴對(duì)是帶正電的，它們?cè)诓牧侠锩婢蜁?huì)輸運(yùn)移動(dòng)。

如果說它們移動(dòng)到PN結(jié)的界面，界面存在著內(nèi)建電場(chǎng)，就會(huì)把電子拉到一端，把空穴拉到另一端，那么這個(gè)器件兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，就有電信號(hào)出來了，這樣就能夠感知，可以做成光電傳感器了。

所以在這個(gè)過程里，必須要搞清楚光打進(jìn)來能夠激發(fā)多少電子-空穴對(duì)、電子-空穴對(duì)在里面能傳多遠(yuǎn)、PN結(jié)里面的電場(chǎng)有多強(qiáng)、能不能把電子和空穴分開、分開了以后電子和空穴能不能取出來等等問題。

▲核心科學(xué)技術(shù)——半導(dǎo)體中的光電轉(zhuǎn)換過程

這里面有兩件事情非常重要，一個(gè)是科學(xué)的道理和圖像要非常清晰、定量，同時(shí)在技術(shù)上面也要把材料做得非常極致，完全符合我們這個(gè)器件的要求，才能做得非常好。如果這個(gè)材料做得不純，里面有雜質(zhì)缺陷，它就會(huì)變成一個(gè)復(fù)合中心。光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)就會(huì)有雜質(zhì)出現(xiàn)，在它那個(gè)地方復(fù)合掉了以后，電子空穴就不能到PN結(jié)里面去了，也就不能分開了。

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紅外探測(cè)，火眼金睛

對(duì)于紅外探測(cè)器，我們的目的是要做一只“慧眼”，尤其是要像孫悟空的火眼金睛，或者二郎神額頭上的第三只眼，一看就知道那是什么東西。它要能夠全天候地拍照，不論白天夜晚；它要能夠非接觸地測(cè)溫，知道你的溫度分布；還要能夠識(shí)別光譜紋，這和指紋識(shí)別一樣，它要能通過光譜紋來識(shí)別材質(zhì)。

▲紅外傳感器

我們把它做成一個(gè)智能傳感器芯片，通過電磁波得到信息，電磁波的波動(dòng)世界大數(shù)據(jù)就會(huì)告訴你所有信息的情況。

比如你看我們?nèi)旌蚰軌蚺恼?，沒有燈光和太陽的夜里，照樣能夠很清晰地用紅外傳感器來進(jìn)行拍照。

你看這兩張照片，左圖有個(gè)大硅片把后面的英文字母就遮住了。我們用可見光的照相機(jī)給它拍照，字母SENS后面的字就看不到，光線穿不過。但是如果我用短波紅外的照相機(jī)來拍照，SENS后面的文字ORS就能看到了，因?yàn)槎滩t外的光能夠穿過硅片。

再看這個(gè)蘋果。用可見光相機(jī)拍出來的蘋果很好，但如果用短波紅外相機(jī)來拍這個(gè)蘋果，就能發(fā)現(xiàn)這個(gè)蘋果是壞的。

我有一次家里買的蘋果買來的時(shí)候很好，切開來是壞的。我就想，當(dāng)時(shí)怎么沒有去拿相機(jī)去拍一下這個(gè)蘋果。當(dāng)然人家也要說這位老先生有點(diǎn)“書呆子”，怎么買蘋果還要帶個(gè)相機(jī)。

左圖里有一個(gè)人拿了一張報(bào)紙，用可見光相機(jī)拍出的照片非常好，看起來就是一個(gè)正人君子。但是如果我們用響應(yīng)波長(zhǎng)非常長(zhǎng)的太赫茲傳感器的照相機(jī)去拍，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他的報(bào)紙里面藏了一把刀。

太赫茲（THz）是說它的頻率是10的12次方，轉(zhuǎn)化成波長(zhǎng)就是300微米，比紅外的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，過去也被稱為遠(yuǎn)紅外。

像這樣的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)投入應(yīng)用了。我們乘高鐵時(shí)，如果說你買的是在上海或北京的商務(wù)座，進(jìn)站的時(shí)候就要經(jīng)過一個(gè)太赫茲人體安檢設(shè)備，用來檢查有沒有攜帶違禁品。太赫茲探測(cè)器系統(tǒng)有個(gè)好處就是可以多次進(jìn)行探測(cè)，它對(duì)人體沒有危害，我們可以利用它做安檢。X光也能做這個(gè)事情，但是X光對(duì)人體有影響。

有一次我把一個(gè)保溫杯放在胸口走過去了。安檢人員就說，你的胸口處帶了個(gè)東西。我說是的，我?guī)Я藗€(gè)保溫杯，想看看你們這個(gè)設(shè)備好不好。當(dāng)然設(shè)備是靈的，但是系統(tǒng)的靈敏度還有待提升，分辨率也不是太高，還會(huì)逐步發(fā)展。

紅外技術(shù)在各行各業(yè)還有更多的用途。比如風(fēng)云系列衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射了二十幾顆了，這是國(guó)家重大的需求，也是科學(xué)技術(shù)前沿成果的體現(xiàn)。風(fēng)云衛(wèi)星的主要工作是什么呢？我們從它的名字就知道了，風(fēng)云衛(wèi)星就是要看風(fēng)云，讀氣象。

這些衛(wèi)星上面就有中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所做的紅外相機(jī)系統(tǒng)，它上面的碲鎘汞紅外探測(cè)器可以對(duì)我們的大氣風(fēng)云進(jìn)行全天候觀測(cè)，而且它有不同波段的相機(jī)。

這15張圖里，左上角那張是綜合的圖，后面的14張圖就是14個(gè)從近紅外、短波紅外、中紅外、長(zhǎng)波紅外一直到14微米波長(zhǎng)的不同的紅外相機(jī)成的像。通過這個(gè)方法，我們就可以得到大數(shù)據(jù)，之后就可以分析了。

這是我們收集了大氣的數(shù)據(jù)以后，對(duì)不同高度的大氣的溫度、濕度作出的圖像。也就是說，現(xiàn)在不同高度、不同地點(diǎn)的溫度和濕度我們都能監(jiān)測(cè)到，這樣我們的氣象報(bào)告就會(huì)很準(zhǔn)。

▲多通道掃描成像輻射計(jì)

我們實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)靜止軌道干涉式垂直探測(cè)儀器，可以在3.6萬公里的高度對(duì)大氣實(shí)現(xiàn)高精度的溫度、濕度參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)，這相當(dāng)于對(duì)大氣做了CT掃描。

我們這方面的水平在國(guó)際上都是領(lǐng)先的，所以我們現(xiàn)在氣象報(bào)告特別準(zhǔn)。臺(tái)風(fēng)什么時(shí)候到什么地方，我們都可以精確地知道。我們可以知道明天的、一個(gè)禮拜以后的天氣預(yù)報(bào)，甚至可以知道幾點(diǎn)到幾點(diǎn)某個(gè)區(qū)域的氣象報(bào)告。

紅外傳感器除了全天候都能夠得到信號(hào)以外，還能夠進(jìn)行溫度分布的測(cè)量。圖中電纜的溫度已經(jīng)發(fā)燙了，但是還沒短路。我們從熱成像圖就可以看到那個(gè)地方溫度高，就要派人去修了。

圖中工廠夜里排污排出來的污水也能被看到。

在電路板上有兩塊集成電路溫度升高、正常工作，但左邊那個(gè)集成電路溫度特別高，我們用紅外攝像頭一拍也能知道。

熱成像還可以體現(xiàn)出，一個(gè)人的臉不同地方溫度是不一樣的。

這是我在試用紅外攝像機(jī)，我正在講話，就連我有兩顆假牙齒它都分辨得出來，因?yàn)闇囟炔灰粯?。而且我剃掉了胡子，但是胡茬還在那里，這里的溫度就跟臉頰上的皮膚不一樣，它也能區(qū)別出來。眼鏡溫度比較低，所以成像是黑的。鼻子吸了冷空氣進(jìn)去鼻孔就是黑的，呼了熱空氣出來它也能分辨出來。所以我們可以用紅外傳感器測(cè)出溫度的分布。

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從地球、月球到火星

紅外傳感器接收的是電磁波，電磁波有頻率、強(qiáng)度、位相、波矢、偏振等等好多參數(shù)，再加上空間維度上的地點(diǎn)位置以及時(shí)間維度，就可以形成大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)就可以用來做很多智慧分析的工作，我們就可以分析出目標(biāo)對(duì)象到底是什么材料什么成分。

比如我們現(xiàn)在的指紋設(shè)備。大家都知道每個(gè)人的指紋都不一樣，設(shè)備也可以通過這一點(diǎn)分辨不同的人。那不同物品的光譜也像指紋，是不一樣的，甚至不同水果的光譜都是不一樣的。這些圖的橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的波反射的光的強(qiáng)度是不一樣的，就會(huì)形成這樣的光譜。

▲生菜8個(gè)不同生長(zhǎng)階段的光譜曲線數(shù)據(jù)

想要做光譜分布的智慧分析，首先要收集數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)庫。我們用紅外攝像機(jī)采集植物的光譜，這是生菜8個(gè)不同生長(zhǎng)期的光譜曲線數(shù)據(jù)，每個(gè)階段的光譜也不一樣。

我們得到了這樣的數(shù)據(jù)之后，把它存入數(shù)據(jù)庫，就可以用它分析了。比如現(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院上海技物所做了一種高分辨率高光譜的衛(wèi)星來觀察地面，它的任務(wù)是“看清”地球，相當(dāng)于地球的“CT機(jī)”。

比如想要發(fā)現(xiàn)地下有沒有礦物，就可以用這個(gè)衛(wèi)星。這是不同礦物的光譜，特征都是不一樣的。地下的礦物會(huì)滲透到地球表面來，雖然含量非常弱。即使如此，我們高分辨率高光譜的衛(wèi)星也能夠知道它的存在。我們的衛(wèi)星在上面觀測(cè)地球采集光譜，然后跟數(shù)據(jù)庫比對(duì)，就可以知道某一個(gè)區(qū)域下面是否存在某種礦物，然后我們?cè)倥扇巳ビ^察、開采。我們中國(guó)利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫可以找到好多礦物。

比如這是上海崇明島，它的縱坐標(biāo)每一點(diǎn)都代表一個(gè)光譜，不同顏色的線代表建筑、灌木、喬木等的光譜，每一點(diǎn)都有自己獨(dú)特的光譜，這樣我們就可以很好地分析城市的特點(diǎn)。

▲Mengwei Jia et al., Environmental Science

and Ecotechnology, 2022

管道泄漏了以后，你怎么知道它是在哪里泄漏的呢？這張圖是高分五號(hào)02衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的，是中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所做的一項(xiàng)工作。它通過遙感檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了北溪2號(hào)天然氣管道泄漏的準(zhǔn)確位置，就是圖中標(biāo)記著紅點(diǎn)的地方。

那么泄漏的是什么東西呢？我們?cè)侔阉墓庾V分析出來，之后跟甲烷氣體特征光譜比對(duì)，就可以知道這個(gè)地方是以甲烷為主的天然氣泄漏了。

這樣的工作我們中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在月球上也會(huì)做。月亮的正面有嫦娥三號(hào)在作業(yè)。可以看到嫦娥三號(hào)降落月球的的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)地面不平整，于是它移動(dòng)了大約25米之后平穩(wěn)地下去了。

嫦娥三號(hào)裝載了“玉兔號(hào)”月球車。這個(gè)月球車上有一個(gè)紅外成像光譜儀，有了它我們就能得到月球表面的光譜信息，分析月亮表面的成分。

嫦娥三號(hào)在月亮的正面，更加困難的任務(wù)是在月亮的背面，那里還沒有人類上去過。我們的嫦娥四號(hào)是在月亮的背面工作的，它上面也有這種光譜儀，負(fù)責(zé)采集月亮背面的光譜來分析月亮表面的成分。

現(xiàn)在我們嫦娥四號(hào)所在的位置就是右上角那張圖上面的馮·卡門盆地那里，它在那采集巖石的光譜來分析成分。

這里的巖石材料有個(gè)特點(diǎn)。它不是原來就在那里的，而是曾經(jīng)有一個(gè)小天體打到了一個(gè)小的盆地里面，把里面的月球物質(zhì)濺出來了，就濺在馮·卡門盆地上面。所以我們現(xiàn)在的月球車在那里分析光譜，得到的結(jié)果就能說明月球里面的物質(zhì)是什么成分。

▲左：火星礦物光譜分析儀

中：“天問一號(hào)”環(huán)繞器與著陸巡視器

右：火星表面成分探測(cè)儀

這種前沿的科學(xué)研究我們?cè)诨鹦巧弦沧隽?。在火星上，我們既讓衛(wèi)星繞著火星轉(zhuǎn)，采集火星表面的光譜，又有火星車直接在火星上面獲取火星表面的光譜。

紅外技術(shù)的應(yīng)用非常多，從科學(xué)研究中的對(duì)地觀測(cè)和透明地球，航天工程和深空探測(cè)，一直到我們的人工智能和智慧地球，紅外技術(shù)在多方面發(fā)揮著它的作用。

▲左上：MQ-9A無人機(jī)(配備MX-20 IRST系統(tǒng))

右上：BPLA400T熱成像偵察無人機(jī)（384×288非制冷探測(cè)器）

左下：Orion-E無人機(jī)(配備EO/IR系統(tǒng))

右下：Bayraktar TB2無人機(jī)(配備MX-15D 系統(tǒng))

甚至包括在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，有好多無人機(jī)上面都搭載了紅外傳感器，就是為了實(shí)時(shí)感知。這就相當(dāng)于讓五官飛到對(duì)方的陣地上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，分析這個(gè)目標(biāo)的位置，定位，然后再進(jìn)行實(shí)行打擊。

正因?yàn)榧t外探測(cè)器跟軍事有些關(guān)系，所以它一直都是一項(xiàng)敏感的“卡脖子”的技術(shù)。我們中國(guó)科學(xué)院就是通過自主創(chuàng)新、自立自強(qiáng)，自己發(fā)展紅外探測(cè)器的。從碲鎘汞窄禁帶半導(dǎo)體的物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，到材料的制備，再到紅外探測(cè)器的研制，一直到空間探測(cè)甚至多方面的應(yīng)用，我們都是獨(dú)立自主地來做這個(gè)事情的。

▲不同半導(dǎo)體材料制備的紅外探測(cè)器

當(dāng)然，做紅外探測(cè)器也很難。圖中有好多材料制備的紅外探測(cè)器都有缺陷。這個(gè)圖的橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是探測(cè)的靈敏度。一種材料可以做某一類紅外傳感器，它就享有一定的波長(zhǎng)范圍。

這就涉及到了材料技術(shù)器件結(jié)構(gòu)、物理模型、工藝優(yōu)化、工程實(shí)踐等環(huán)節(jié)，涉及到物理基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)等知識(shí)，還涉及到我們的思維方法、科學(xué)精神等等，特別是涉及到我們的學(xué)習(xí)能力、理解能力、思維能力、動(dòng)手能力。

對(duì)年輕人來說，要做這些高科技的工作需要很好地培養(yǎng)和訓(xùn)練自己。尤其是要讓自己對(duì)科學(xué)有興趣，要有責(zé)任的意識(shí)。

現(xiàn)在紅外技術(shù)和傳感器技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，這些都屬于多傳感多頻譜及其融合和集成傳感技術(shù)，也就是現(xiàn)代傳感技術(shù)。現(xiàn)代傳感技術(shù)發(fā)展了多種類型的傳感器，紅外、紫外、X光、γ射線、壓力、振動(dòng)、聲響、電磁、化學(xué)、生物、單光子等傳感器，同時(shí)發(fā)展多頻譜范圍的傳感技術(shù)。甚至發(fā)展了單細(xì)胞、單分子、單原子、單光子信息傳感技術(shù)，發(fā)展的速度也很快。

MEMS傳感器和光電傳感器都相當(dāng)于實(shí)時(shí)傳感，相當(dāng)于我們的五官實(shí)時(shí)傳感，它需要做到高分辨、高靈敏、高功能、全波段，而且要智能化。得到了信息以后就要進(jìn)行智慧識(shí)別，智慧識(shí)別以后還要及時(shí)反應(yīng)。

它可以用于人工智能、智慧城市?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)可以使我們逐步走向智能時(shí)代，人工智能和智慧城市的廣泛應(yīng)用可以把我們的城市建設(shè)得更美好。

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從小草開始的成才路

接下來，我來說說培育科學(xué)精神。

這是我小時(shí)候和現(xiàn)在的照片。右圖是我在香港做報(bào)告時(shí)拍的，看起來蠻像樣的一個(gè)科學(xué)家。

但我是從“小草”開始成才的。小時(shí)候，我的功課其實(shí)并不好，我小時(shí)候在華東師范大學(xué)附小念書。我父親是華東師大的老師，學(xué)校一成立他就去了。這個(gè)就是我的畢業(yè)證書，很多功課都是4分，但是自然是5分，因?yàn)槲蚁矚g自然。寫字3分，字寫得不好。

后來我回到高中母校徐匯中學(xué)時(shí)，校長(zhǎng)讓我給學(xué)校寫幾個(gè)字，我就寫了“古今傳承，東西匯通”。我一共寫了十幾張紙，然后在里面挑了三張勉強(qiáng)可以的字給校長(zhǎng)了。我說我從小寫字就寫得不好，現(xiàn)在把勉強(qiáng)寫的這幾張給你們吧。他們還把這個(gè)刻在墻上了。

所以我就在想，“少壯不努力，老大徒傷悲”。小時(shí)候不努力，后來到要用的時(shí)候，就不能很好地發(fā)揮作用了。

有一次我到師大附小去給小朋友們面對(duì)面做科普?qǐng)?bào)告。我念書時(shí)的校長(zhǎng)是陳先墀老師，他很激動(dòng)，于是就寫了一封信到會(huì)場(chǎng)。他說：“我們要教育兒童像你一樣，鍛煉身體、會(huì)玩、會(huì)動(dòng)手動(dòng)腦，在課內(nèi)外努力學(xué)習(xí)，像你一樣廣交朋友，熱愛自己的工作，天天向上。”他對(duì)我還有印象。

小學(xué)六年級(jí)的時(shí)候，我參加過上海市的青少年運(yùn)動(dòng)會(huì)。我是普陀區(qū)60米短跑的第二名，亞軍，得了一個(gè)銀質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，這個(gè)獎(jiǎng)?wù)卢F(xiàn)在還在我辦公室放著。

到大學(xué)念書的時(shí)候，我?guī)拖道锏暮诎鍒?bào)寫了篇文章，題目叫做“勤奮加智慧等于力量”，署名坦牛。人家問什么意思？我說是在平坦的原野上，像牛一樣努力地工作，所以叫坦牛。其實(shí)我心里是怎么想呢？我想的愛因斯坦和牛頓。因?yàn)槲液芟氘?dāng)一個(gè)科學(xué)家，有一種植根于內(nèi)心的科學(xué)家情節(jié)。

大學(xué)畢業(yè)以后，我當(dāng)了中學(xué)老師，也很努力。當(dāng)時(shí)的物理叫做工業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，我當(dāng)時(shí)還把手扶拖拉機(jī)開到學(xué)校里面來。因?yàn)槭址鐾侠瓩C(jī)手扶的那里有杠桿原理，開起來有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，氣缸里面有內(nèi)燃機(jī)，有熱力學(xué)的規(guī)律。所以我把手扶拖拉機(jī)跟物理學(xué)的一些規(guī)律結(jié)合起來教學(xué)，經(jīng)常上公開課。

后來，上海市工業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)成立的教材編寫組里，我是成員之一。其實(shí)我那個(gè)時(shí)候很年輕，大學(xué)畢業(yè)沒多久就在中學(xué)里面教書，從1968年到1978年，一共教了10年。

那個(gè)時(shí)候我還寫了很多科普文章，在《文匯報(bào)》《解放日?qǐng)?bào)》上都寫過，還寫科普書，《能量》就是我當(dāng)時(shí)寫的科普書之一。

這些都是我在做中學(xué)老師階段寫的手稿，我寫了以后再修改，改到不能改了了之后，再重新抄一遍，抄一遍之后再改。當(dāng)時(shí)沒有現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)那么方便。

我還經(jīng)常到上海圖書館去看書找資料，把英文文獻(xiàn)拍下來或者抄下來翻譯成中文，仔細(xì)地研究。

當(dāng)時(shí)我們上海有個(gè)“基本粒子迷”，是復(fù)旦大學(xué)物理系殷鵬程老師，他領(lǐng)導(dǎo)我們幾位中學(xué)老師一起參與研究，還寫基本粒子的論文。

到了1978年的春天，我可以考研究生了。我大學(xué)同學(xué)的父親叫嚴(yán)東升，他知道我很用功，就推薦我考中國(guó)科學(xué)院的研究生。嚴(yán)東升老師還幫我給中國(guó)科學(xué)院技術(shù)物理研究所寫了推薦信。

▲黃昆、謝希德 編，《半導(dǎo)體物理學(xué)》

考試要考《半導(dǎo)體物理學(xué)》這本書，我在大學(xué)里沒學(xué)過，但是我普通物理和理論物理學(xué)得好，于是我自修了這本書，自己推導(dǎo)公式來研究里面的關(guān)系。后來我考試考了90分，拿了第二名，就來到技物所當(dāng)研究生了。

所以我感覺，要做科研，在本科階段打好基礎(chǔ)非常重要，特別是學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力要培養(yǎng)好。這個(gè)能力怎么培養(yǎng)呢？就是基礎(chǔ)要打得好。你看普通物理和理論物理學(xué)得好，就可以自修半導(dǎo)體物理，就能很容易地把新知識(shí)掌握好。

▲湯定元院士

來到中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所之后，我就跟隨湯定元先生研究碲鎘汞，研究半導(dǎo)體。

其實(shí)在第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，人們對(duì)紅外探測(cè)器已經(jīng)有了很多研究，比如硫化鎘、硫化鉛、銻化銦等等，但它們的響應(yīng)波段都比較短，只有3-5微米?；蛘?-3微米。是跟我們?nèi)梭w發(fā)出來的紅外光差不多。

我們身上存在兩種光，一個(gè)是反射光，燈光照在我身上會(huì)產(chǎn)生反射的，這個(gè)是可見光。如果把燈關(guān)掉，就看不見了。另一個(gè)是人體的紅外輻射，我們?nèi)梭w的溫度是37℃，紅外輻射的波長(zhǎng)是10微米，所以肉眼是看不見的，除非用能夠感知10微米紅外光的紅外攝像機(jī)，那就看得見了。

那么什么材料能夠敏感地感知10微米的紅外光呢？有一種材料是在鍺里面摻汞。當(dāng)時(shí)國(guó)際上面用的材料就是鍺摻汞，技物所當(dāng)時(shí)也在做鍺摻汞的探測(cè)器，但是它的缺點(diǎn)就是它要在液氫溫度下工作，也就是說這個(gè)芯片要放在一個(gè)制冷器里面，絕對(duì)溫度要達(dá)到－230多℃。

那么怎樣找一個(gè)工作溫度高一點(diǎn)的材料呢？我們有幾種材料可以選擇，其中一種就是碲鎘汞可以看到，這里面有個(gè)組分X是可以變化的，不同的組分可以響應(yīng)1-3微米、3-5微米、8-14微米不同的波長(zhǎng)，因此是最好的紅外探測(cè)器材料。湯定元先生就錨定碲鎘汞是紅外探測(cè)器最好的材料，開展了研究。

這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)很有先見之明的決策，因?yàn)橥瑫r(shí)有好幾個(gè)材料可以選擇。但現(xiàn)在，我們已經(jīng)可以證明這的確是最好的材料。當(dāng)前在軍事上或者空間探測(cè)上都是用的這個(gè)材料。

我有幸在1978年考取研究生之后，就跟湯定元先生研究碲鎘汞窄禁帶半導(dǎo)體材料。因?yàn)檫@個(gè)是“卡脖子”的問題，所以我們必須以科技自立自強(qiáng)的方式來進(jìn)行研究，所以研究方向很重要，自立自強(qiáng)的信念也對(duì)長(zhǎng)期的研究來說也非常重要。

我們的確研究得比較順利，我跟著湯定元先生在碲鎘汞窄禁帶半導(dǎo)體的科研方面做了一系列的工作，發(fā)表了好多論文，我們對(duì)碲鎘汞材料的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、能帶參數(shù)、輸運(yùn)現(xiàn)象、晶格振動(dòng)等等做了物理學(xué)上的系統(tǒng)研究。

這也在國(guó)際上產(chǎn)生了一定影響，他們知道中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在這方面做得很好。國(guó)際上一本最權(quán)威的叫LANDOLTBORNSTEIN的科學(xué)手冊(cè)，它的中文名字就是《科學(xué)技術(shù)中的數(shù)據(jù)和函數(shù)關(guān)系》。這本手冊(cè)每隔10-15年就要修訂一次，把最新的資料補(bǔ)進(jìn)去，我是作者之一，負(fù)責(zé)修訂含汞化合物的部分，國(guó)際上面所有發(fā)表的論文，只要是含汞化合物，所發(fā)表的結(jié)果能不能被編進(jìn)這本書里面來，都要由我來寫。這也是因?yàn)槲覀冊(cè)谶@個(gè)領(lǐng)域做了系統(tǒng)性的創(chuàng)新工作，所以在國(guó)際上具有了一定的地位。

國(guó)際上的從業(yè)者還叫我寫專著，因?yàn)槟菚r(shí)候碲鎘汞窄禁帶半導(dǎo)體還沒有一本完整的系統(tǒng)性專著。所以他們讓我來寫，還評(píng)價(jià)說：“現(xiàn)在他們不僅趕上世界水平，而且在某些領(lǐng)域走在前面……這就是為什么他是寫這本書的最好人選。”

后來我就寫了《窄禁帶半導(dǎo)體物理學(xué)》這本書，先寫了一本中文的，再把它翻譯成英文。書很厚，90多萬字，翻譯成英文之后就一本變成兩本了。

中文版的書是湯定元先生寫的序言。窄禁帶半導(dǎo)體是半導(dǎo)體科學(xué)里面的一個(gè)重要分支，他說據(jù)本人所知，這是國(guó)際上面的第一本專著。

我們?cè)诳茖W(xué)上面做了大量的工作，而這些科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)又指導(dǎo)和支持著我們材料的制備與器件的研究，使得我們材料制備性能非常好，器件水平也非常高。而這些很好的材料和紅外探測(cè)器的器件買是買不到的，只能靠我們自己來做。

利用這些我們自主創(chuàng)新研究的器件，我們就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云衛(wèi)星的應(yīng)用、火星探測(cè)、空間探測(cè)等，使許多重大工程應(yīng)用都能夠得到發(fā)展。

所以從我自己從事科學(xué)研究的經(jīng)歷來說，我也有一些感悟。我的感悟就是，首先要調(diào)動(dòng)我們的內(nèi)心動(dòng)力，主要是要以表揚(yáng)為主，激發(fā)正氣，積極思考，把內(nèi)生的動(dòng)力調(diào)動(dòng)起來。

然后就是要培養(yǎng)科學(xué)的興趣，要對(duì)科學(xué)非常有興趣，要有好奇心。要如饑似渴地讀書，要培育發(fā)展自己的特長(zhǎng)。

還要有遠(yuǎn)大的志向，要目標(biāo)如一，堅(jiān)持不懈，要一步一個(gè)腳印地堅(jiān)毅前行。

我們還要融入時(shí)代的潮流，把自己的工作與祖國(guó)的科技發(fā)展結(jié)合起來，同發(fā)展共成長(zhǎng)。

我辦公室里有一幅對(duì)聯(lián)，“勤奮好學(xué)追求科學(xué)真理，踏實(shí)漸進(jìn)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新跨越”。

我想用這幅對(duì)聯(lián)和我們廣大的青年朋友們以及社會(huì)各方面的人士共勉，把我們的工作做得更好，讓我們的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展得更加繁榮，通過科技創(chuàng)新促進(jìn)多方面的發(fā)展，同時(shí)很好地培育自己，貢獻(xiàn)我們的社會(huì)。

謝謝大家！

>End

本文轉(zhuǎn)載自“格致論道講壇”，原標(biāo)題《人家問我筆名“坦牛”的意思，我說要像牛一樣努力，但心里想著愛因斯坦和牛頓 | 褚君浩院士》。

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