徐向阳北航 北航徐向阳 国家技术发明一等奖获得者:北京航空航天大学教授宫声凯
“历史上大部分科学家都没成为富翁,大部分科学发明人是享受不到的成果转化带来的好处。事实上很多也不应该享受,很多东西最后成了知识,就不应该保护,总不能说用相对论还要交钱。现在科学做起来,对中国来说特别重要,因为中国是已经从一个民工时代,转换成一个工程师和科学家时代。中国的民工不再有优势,不再便宜,现在应更多地靠工程师和科学家来发展。”— —丁洪(网易科学注)
序言:未来的世界,是科技在改变生活;未来的中国,是科技在重塑增长。2017年伊始,网易科技联合“未来论坛”推出“十大顶级科学家预言未来”系列策划,独家专访了人工智能、生命科学、物理学、天文学、化学等近十大领域最顶尖的华人科学家,倾听他们对未来的预言。
在这些预言的背后,他们凭借着自己的深厚学识,发出对人类未来的期盼之声。 “十大顶级科学家预言未来”第十篇:专访中科院物理所研究员,北京凝聚态国家实验室首席科学家丁洪。
他是谁? 他是国家首批“千人计划”的入选者;他是美国物理界第一位全职回国的正教授;他带着三个梦想,梦之线、梦之环、梦中心回国;2015年他带领着团队首次发现了具有左旋和右旋两种不同“手性”的电子态——外尔费米子,这一“幽灵粒子”的存在;他还是未来科学大奖科学家委员会轮值主席;他曾经说过,做科研不能局限在自己的一亩三分地,要进行跨领域合作,他就是中科院物理研究所研究员丁洪。
他的预言: 1、超导体和拓扑材料,这两种材料在一定的条件下,会打破欧姆定律的“魔咒”,从而延展摩尔定律; 2、量子计算机的实现,可以实现传统计算机不可能做的计算,将带来革命性的变革; 3、系外生命的发现,未来这十年之内有可能实现; 4、人工智能将在很大程度上改变人类社会; 5、人类未来有可能实现长生不老,这是一个看得见的目标。
作者:崔玉贤 策划:杨霞清、王真 内容产品:郭浩、王真 我们太阳系外是否有生命体存在?什么时候人类就可以接触到系外生命?暗物质、暗能量的发现到底对人类会产生怎样的影响?万有引力和爱因斯坦的相对论是否能完全解释宇宙行星的运转?计算机技术已经发展到了瓶颈?摩尔定律已不再适用?带着这些问题,我们采访了中科院物理研究所研究员丁洪。
丁洪教授目前正在关注物理学的两个方向:一个是超导体和拓扑材料,在一定条件下,这两个材料将会打破欧姆定律的“魔咒”,从而延展摩尔定律;而另一个关注点是量子计算,目前中国在量子计算方面还相对落后,反而是量子通讯因为潘建伟教授的贡献,使得中国在这一领域处于领先地位。
如果要从广义物理学来看,丁洪教授还在关注天文学的发展,尤其是暗物质、暗能量的发现以及大型望远镜的发展,他认为人类可能在未来十年发现系外生命。
对于科学的研究,丁洪教授还主张进行跨界研究,而不是局限在自己的一亩三分地。
做科研之初要尽量做深,像打井一样,但做深之后还要有广度,因为科学领域边缘经常是没有人做的。举个例子,人类最初发现放射性元素,只有物理学家懂,当物理学家和考古学家、医学家交流后,发现放射性元素还可以来测定化石年龄和放射性医学。
在他看来,科学领域之间是紧密相连的。在对延长寿命的研究上,丁洪认为这是一个看得见的目标,将来是有可能实现长生不老的。 但对中国的教育现状,丁洪教授表示了不满。他认为,中国的教育说到底还是应试教育。考试本应该是检测学习好坏的一个手段,而不应该是目的,目前的应试教育完全颠倒了手段与目的。
网易科技:可以简单介绍一下您目前着手研究的内容是哪些,您比较关注的研究热点方向有哪些? 丁洪:我现在做的是研究固体物理,以前研究比较多的是高温超导体,就是超导现象能在比绝对零度(-273摄氏度)高很多的温度下实现,目前包括铜基高温超导体和铁基高温超导体。
我主要是做这方面的机理研究,具体是用光电子能谱来做实验,就是将紫外到X射线的光打进去超导体,把电子打出来,分析电子在材料中的属性,研究电子为什么会配对而产生超导。
我前二十多年基本都是做超导方面的研究。近几年开始做拓扑材料方面的研究,包括拓扑绝缘体和拓扑半金属。去年我们发现了外尔费米子,今年我们又发现了一种具有三重简并态的新费米子。人们知道狄拉克费米子具有四重简并态,外尔费米子具有两重简并态,就是把一个四重简并态分裂成两支两重简并态。
我们宇宙中只有四重简并态和两重简并态的费米子。但在“固体宇宙”中,也就是固体材料中,是有可能产生三重简并态的新型费米子。
这是我们最新发现的一个重要成果。 我目前关注的热点和方向,一个很重要的就是量子计算。量子计算现在是一个很热的研究领域。量子计算事实上和超导和拓扑都可以相关,它可以用超导材料来实现,也可以用拓扑材料来实现。
网易科技:你觉得在未来五到十年,在方向上会有一些重大的突破吗,或者说是相关领域会有一些革命性的变化出现吗? 丁洪:我觉得应该是会,主要从两方面:第一个就是从我们现在研究的超导材料和拓扑材料,这两种材料在一定的条件下,会打破所谓的欧姆定律的“魔咒”。
欧姆定律是电压=电流×电阻,有电阻,就会产生热,发热是个很大的问题,特别是对计算机芯片,摩尔定律现在被阻住,就是因为欧姆定律的约束,当然这里有量子隧穿效应。
真正能打破欧姆定律的“魔咒”,一个很重要的方法是利用超导材料,应该超导材料的电阻为零,绝对为零,也就不发热了。另外,一些拓扑材料的边缘态也可以使电阻非常小,甚至使电阻为零,这个也可以打破欧姆定律的“魔咒”。
如果我们能在更高温度,甚至在室温情况下实现零电阻的话,那自然是革命性的变革。这就是室温超导,或在室温下面实现零电阻的拓扑边缘态。这就像电影《阿凡达》里的山会浮起来,其根本原理就是室温超导, 在那个具有强磁场的星球上就会悬浮起来。
第二个就是我前面所说的量子计算。量子计算如果能实用的话将是革命性的。有些事情太复杂,连超级计算机是算不出来的。比如说破译密码,你只要足够复杂的,现在的计算机就无能为力了。
因为它利用了素数相乘和因式分解的不对称性。这个不对称性是怎么来的?就是人们把两个大的素数做乘法是非常容易的,但乘起来之后,因式分解就很难了。密码学就是利用了这个不对称性。加密把这两个数字乘起来,就很容易,破密是倒过来的,就是把这个大数分解。
它足够大了,计算机也做不出来。但量子计算机是可以把它解决的,它可以把它变成相对对称。 所以有量子计算机之后,破译密码就变得很容易了。但是还有一些很复杂的,比如天气的预测这种很复杂的计算,用普通的计算机也是计算量太大,所以量子计算机的实现,就会使一些以前做不了的事情做得了,这就是革命性的变革。
所以我对量子计算机是比较看好的。 量子计算机近年来进步非常快,可能之后十年内会产生大的突破。
现在最积极在这方面探索的是像Google、Microsoft、IBM这类公司,它们一定是看到了其商业前景。 网易科技:中国是不是也有? 丁洪:中国量子计算也在做,但是落后还蛮多。
中国厉害的是量子通讯,潘建伟做的量子通讯是非常领先的。 我觉得从物理更广义的来说,可以包括天文。未来天文会有很大的进展,我看好的就是在暗物质、暗能量上的发现,将会是两大物理的突破。
第三个是随着天文望远镜的发展,人们就会发现越来越多的行星,甚至会发现跟地球非常相似的行星,发现带有大气,带有水,带有高分子的行星,最后发现生命。就是系外生命的发现,在未来这十年内是有可能的。
网易科技:这是个大预言。 丁洪:对,这个的震撼可以类比进化论给人类带来的震撼。达尔文的进化论使我们认识到我们不是different,我们是从猴子进化过来的,这使我们与其它动物拉近了感情。如果发现系外生命,就会使我们认识到我们人类不是唯一的智能物种,人类应该更加团结起来。
我觉得这是非常令我憧憬的。 当然如果再扩展,从物理扩展开来的,还有计算机层面的AI,人工智能,它会在很大程度上改变人类社会。人之所以在这几千年有几个呈加速度的发展阶段,第一阶段是因为人有语言,通过语言交流,从一个脑子变成很多脑子。
第二阶段就是通过互联网,使整个地球变得像一个大脑。第三阶段是什么?就是不靠人的脑子,而是靠机器的脑子,就是机器开始学习,机器开始创造知识。
从AlphaGo就可以看出来,它一旦会下围棋了,那人一下就被它甩开,甩开得非常远。它在学习上能在几秒钟内追人的几百个小时。这样它会把人类的发展再大大加速。它开始学习,开始创造,创造的越快,学习的越快,这个加速度将是一个惊人的加速度,我相信它会使人类的文明走向一个新的时代。
还有一个我觉得非常重要的,就是在生物医学和生物技术。我相信在不久的未来人们可以大大延长寿命甚至长生不老。 目前生物医学和生物技术在基因层面和分子层面快速发展,正在加速度地攻克疾病,延长寿命,并且能从本质上来调控生命,甚至有可能实现长生不老。这是一个看得见的目标。
网易科技:为什么您刚才说暗物质和暗能量是两朵大乌云? 丁洪:是这样的,暗物质、暗能量就是人们发现是用万有引力和爱因斯坦的广义相对论无法解释大空间上的恒星运动。人们在宇宙中仔细一看,发现找得到的物质不够,这不是一点不够,是大大的不够。
大大不够的话,你只能说有些物质带有质量,但你看不到,因此称为暗物质。暗能量是因为发现宇宙是膨胀,而且它的膨胀速度远远超过现有引力的计算,所以它还有更大的能量,叫暗能量。 这个事情就使人们想到上世纪初物理学上面也有两大乌云,一大乌云就是叫紫外发散的灾难。
大家知道,物体加温,加到很高,像白炽灯2000度就发光,温度不高,像我们人发射红外线。但是在紫外线波段,用经典物理方法算会发现黑体辐射是发散的,也就是辐射能量是无穷大。
这明显跟事实是不符合的,但如何解解释呢? 第二个乌云就是光速不变。比如说两列火车对着开,一个100公里,另外一个100公里,我坐在这个火车上看那个火车的速度就会是200公里。
但假设火车足够快,都是光速,我坐在一列光速的火车上看另一列光速的火车,是不是两倍光速?但实验发现这是不对的,应该还是一倍的光速。但这是经典物理无法解释的。 网易科技:传统的物理学无法解释。
丁洪:传统的物理学无法解释,这两朵乌云就导致了两大物理的突破,一个叫量子力学,解释了为什么这个黑体辐射在紫外不发散。另外一个就是相对论,解释了为什么光速不变。 当然你也可以这样去想,这个暗物质上是不是也是蕴含着事实上是目前的物理规律不对?正如光速不变当时就有用以太来解释。
是不是我们所谓的暗物质,也可能是一种“以太”呢?。但是这个猜想现在有争论,大部分的科学家相信有真的暗物质,而不需要调整万有引力和调整相对论,觉得这个调整起来觉得太大了。
但无论是发现了暗物质,还是发现了新规律,对于我们的世界认识都会是巨大的突破。 网易科技:量子通讯和量子计算有什么联系呢? 丁洪:量子通讯和量子计算,它们用的原理类似,都是用所谓的量子纠缠,在量子世界上有一种很奇怪的现象,叫量子纠缠。
纠缠是什么?宏观的都是不纠缠,最典型的例子就是生和死它不纠缠,你要不就是活着,要不就死掉。1和0,代表有和无,是分开的,你要不是0(没有),要不就是1(有)。
但是在量子世界里,除了0和1两个态,还有0和1的混合态。你没看到这个混合态的时候你不知道它是什么样,你只有看到的时候它才会变成0或者1。当两个混合态纠缠起来, 当你发现一个态是0的时候,另一个态就必须是1。
这个事情就非常巧妙。比如我手里拿了两个东西,它们完全不确定,既可以是1,也可以是0。但一旦它们纠缠起来,那么一旦我知道我左手上的是0,那我右手上的就是1,并且我的两支手可以是无穷地分开。
量子通讯就是利用这个原理来发明送密钥,我和你一人拿一半纠缠过的量子密钥。没看前谁也不知道自己和对方拿的是什么。但是只要我知道了,你也就知道,所以两人的密码就对应。
但是之前谁都不知道,你自己也不知道,敌人也不知道。 网易科技:因此是绝对无法破解的。 丁洪:对,就是这样。量子计算也是利用这个事情来做的,它不是用0和1来计算,而是用0和1的纠缠态,所以它的算法是就是它算一步相当于传统计算机算了好多步。我认为量子计算会比量子通讯有更大的用途,因为量子通讯不能真正传输信息。
网易科技:它上头无法附加信息。 丁洪:它无法附加信息,它唯一能传的就是这个密钥。当然中国先推这个是很好的,因为它假设如果有量子计算机的话,以后所有的密码都有可能被破掉,那我不唯一的能活下来的就是量子加密。
网易科技:实现这些变革,有没有哪些难题时我们真的需要解决的? 丁洪:实现量子通讯现在在原理层面的难度并不是太大,关键是技术层面,需要做纠缠的光子越来越多,放得越来越远,并可以放到卫星上,其挑战是很大的。
但量子计算在原理层面还是一个很有挑战的很前沿的领域,因为它是要保证它两个量子态你能操纵,然后它们相互又可操作。然后做很多个,做十个、二十、四十个,这不容易实现。还有一个叫非阿贝尔统计,它是有可能实现,但还没有实现。
所以量子计算以前认为是五十年之后的事儿。但目前现在看来,可能简单的 量子计算机这几年就会有。但简单的量子计算机也可以做一些挺奇妙的事情。所以 我是认为量子计算带来的变革会是巨大的。
网易科技:就以量子计算为例,你觉得中国的物理学研究领域,国外相比,它的发展还有定位是怎样的? 丁洪:我觉得总体来说在物理领域中国近年来进步非常快,物理相对来说是中国和国外差距较小的。甚至有些,比如在超导研究,在拓扑材料,中国几乎是走在最前沿。
相比之下,生物、计算机方面中国可能落后更多。这也跟投入有关,因为中国学物理的人还是挺多的。像在国外一看,做物理的很多都是华人,国外人都不做了。他们也做不过我们,所以这个事情中国物理学还是发展的非常好。
网易科技:还有哪些需要继续提高的呢? 丁洪:因为物理学很多情况下是要靠技术,就是这些精密测量。在这里最好的一个例子就是引力波。美国做引力波成功,完全是它的技术好,精密测量好。
很现在科学是很多靠技术。如果这个技术是商用的,你可以买得到的,那只要有钱,大家都是一样的。如果不能买得到,那就得自己做,你做不出来,人家做得出来他就领先了。 所以这方面我们有差距。
另外我们做固体物理学,很依赖于样品的生长,生长样品中国人很厉害,就像中国人会炒菜似的。 网易科技:是一种民族天赋。 丁洪:是的,这方面即勤奋又有天赋。我们在固体物理学是有优势的,因为我们有更多的人会长样品,在国外会长样品的很大部分也是华人。
这样华人之间好沟通好合作。 但是我们经常在技术,特别在核心技术上是没优势。因为技术活儿经常要沉淀, 要大投入,要合作,这个中国就做不好。中国集成创新是做的非常好,高铁也能做,但核心技术做不好,没有人静下心来去做,所以中国不会去做这个芯片,也不会去做高铁的核心技术。
最根本的原因是做核心技术的投入和产出在中国是不对称,在美国是对称的。因为它有知识产权保护,一个专利出来,一个新药出来,可以赚很多钱,在中国是不可能的。
你做好了,别人就抄走了。那谁会去做嘛,都等着抄别人的。这个注定中国核心技术一定是做不好,除非你做军事,你没办法,别人给你封锁,没的抄了,那你只能自己做。
你有的抄,那谁肯投钱做这个事情?不可能的。所以中国只要知识产权不保护,那就没人愿意做核心技术,都是做集成创新和模式创新。 网易科技:您觉得跨界合作会不会在这方面有一定的推动作用? 丁洪:我觉得跨界非常重要,为什么?因为刚开始做科研立足是要做深,就像打井要深,你才能做好。
但是打得深后最好是要广。像物理做了这么多年,该打的井都打了。只有领域的边缘是经常别人没做的。举个例子,就是最开始人们发现放射性,是物理学家弄出来的。
后来物理化学学家和考古学家、医学家交流,觉得放射性还可以来测生物化石年龄,可以用来治疗肿瘤。这就是跨界的作用。 网易科技:触类旁通。 丁洪:所以这个是一个非常重要的,包括很多生物学的发展,事实上是主要物理学家搞出来的DNA双螺旋结构。
往往在学科的交叉点,容易有些新的突破, 所以跨界是非常重要的。 还有一个重要的跨界就是希望企业界、投资界真正对科学重视,这样的话它会有助于前沿科学快速发展,或者前沿科学的快速转化,这是一个非常好的事情。
有很多例子,无论从计算机,还是AI的发展,科学界和产业界几乎是平行发展。比如Google会去挖做计算机的教授来做企业,它挖来是做科研的,但是科研马上能转化成产品。
目前生物医学也是一样的,很多前沿的医学成果马上就能转化出来,这包括我们这次未来科学大奖的获得者卢煜明的成果。 网易科技:未来也许科学家也能成为首富。 丁洪:这个将来也许有可能。
但是历史上大部分科学家都没成为富翁,大部分科学发明人是享受不到的成果转化带来的好处。事实上很多也不应该享受,很多东西最后成了知识,就不应该保护,总不能说用相对论还要交钱。 现在科学做起来,应该是个好事情,这对中国来说特别重要,因为中国是已经从一个民工时代,转换成一个工程师和科学家时代,因为中国的民工不再有优势,不再便宜,现在应更多地靠工程师和科学家来发展。
网易科技:你对这方面的人才培养怎么看,比如说现在物理方面的教育,中国当下的教育状态? 丁洪:我对中国的当下的教育状态并不太满意。
中国的教育本质说到底就是应试教育,其实考试本身是作为一个来检测你学得好坏的一个手段,而不是目的。本来学知识不是为了考试,现在在中国几乎成了学知识都为了考试,至少中小学学是这样,小升初,初升高,高升大,就看这几个分数。
这个就完全背离了学习的初衷,本末倒置。 但要改变这也是很难改。一改就有人说不公平。我不希望我的孩子走这样的道路。
但是当整个社会都是以考试来衡量你,你就很难让人摆脱应试教育。甚至连老师、连家长都不想摆脱,你要是说不重视考试,很多家长就不干。 所以这个是非常大的问题,这不是一时半会儿能解决的。 网易科技:很长的周期。
丁洪:对,这个是得慢慢来。这个我不太抱太大希望,我只能说我让我女儿不走这条路,或者我能建议我的朋友不走这条路。 网易科技:你有没有什么建议,可以即使是在当下这种制度下,去激发一下这些小孩子,学生对科学的兴趣;对现在在从事科研的一些年轻人,有没有一些建议或者是想法? 丁洪:这个就是我们为什么做未来论坛的原因,就是要宣传科学,中国几千年来科学的理念,科学的精神都是很弱的,我说的科学是现代科学,中国的很多传统的东西都是似是而非的,比如像中医理论,也不清楚到底是不是科学,至少不像一个很严谨的科学。
丁洪,男,汉族,湖南长沙人,凝聚态物理学家。中国科学院物理研究所研究员,北京凝聚态国家实验室常务副主任,首席科学家。 1986年9月-1990年7月,上海交通大学(理学学士学位);1990年9月-1995年7月,美国University of Illinois at Chicago的物理博士学位;1995年获美国Wisconsin Synchrotron Radiation Center的阿拉丁光源奖;1995年9月-1998年8月,美国Argonne国家实验室,博士后;1999年获美国的斯隆奖;1998年9月-2008年5月,美国Boston College大学物理系历任助理教授、副教授、正教授; 2008年入选首批国家“千人计划”;2008年5月至今,中国科学院物理研究所研究员,北京凝聚态国家实验室首席科学家;2014年获汤森路透中国引文桂冠奖和科研团队奖。
未来论坛背景:未来论坛由科学界、教育界、互联网界、投资界领袖于2015年之初发起,商学跨界科学传播公益平台,是中国以民间资本激励科学突破的“推动人”。未来论坛至今已形成未来科学大奖、理解未来讲座、闭门耕研讨会和未来论坛年会等系列活动。
