由清華大學、南都公益基金會主辦的東潤創新與未來教育論壇于2016年(nián)12月(yuè)18日在北(běi)京舉行，此次論壇的主題是“科學創新改變未來”。斯坦福大學物(wù)理系教授沈志(zhì)勳出席并發表主旨演講。他表示，創新跟認知實際上(shàng)是連在一(yī)起的，認知是創新的基礎，所以愛因斯坦光(guāng)電(diàn)效應将人類對光(guāng)的認識提高(gāo)到(dào)一(yī)個(gè)嶄新的高(gāo)度，為(wèi)量子論的建立提高(gāo)一(yī)個(gè)重要的基礎，也為(wèi)現代光(guāng)學尤其為(wèi)激光(guāng)發明奠定理論基礎。
以下(xià)為(wèi)沈志(zhì)勳教授主旨演講實錄：
非常感謝孔理事(shì)長(cháng)和南都公益基金會給我這個(gè)機(jī)會(huì)，我今天想就(jiù)“光(guāng)”這件(jiàn)事(shì)情談一(yī)談關于認知和創新之間的關系，這個(gè)題目就(jiù)是《光(guāng)》。
光(guāng)是人類感知世界的重要窗(chuāng)口，但是人對光(guāng)的本質的認識，确實有一(yī)個(gè)非常漫長(cháng)而曲折的過程。其實在非常久遠(yuǎn)的時候有很多(duō)很多(duō)想法，光(guāng)到(dào)底是什麽？光(guāng)作為(wèi)一(yī)門(mén)科學，法國(guó)科學家Pierre Gassendi和英國(guó)科學家牛頓認為(wèi)光(guāng)是直線傳播的粒子，所以就(jiù)有了今天所謂的牛頓光(guāng)學和幾何光(guāng)學。把光(guāng)當做粒子來看(kàn)，這種觀點持續了非常長(cháng)的時間。
150年(nián)以後，Thomas Young做了一(yī)個(gè)實驗，把光(guāng)穿過平行的雙縫，如果光(guāng)是直線傳播，就(jiù)跟牛頓說的那樣，就(jiù)無法通(tōng)過。如果光(guāng)本身是波的話就(jiù)可以繞過去，在後面可以看(kàn)出一(yī)條一(yī)條條紋，确實看(kàn)到(dào)了。這時候我們說光(guāng)是光(guāng)波。
再往前走，半個(gè)世紀英國(guó)Maxwell建立了麥氏方程。這樣的方程下(xià)得到(dào)電(diàn)磁學的傳播速度和在那個(gè)時候測到(dào)的光(guāng)速基本上(shàng)是完全一(yī)樣，所以就(jiù)說實際上(shàng)光(guāng)是電(diàn)磁波的一(yī)種。
但是又(yòu)過了一(yī)百多(duō)年(nián)，就(jiù)是到(dào)了上(shàng)個(gè)世紀初，Phillip Lenard做了一(yī)個(gè)叫光(guāng)電(diàn)效應的實驗，這個(gè)實驗測試了光(guāng)強與電(diàn)子能(néng)量的關系，他發現光(guāng)強和電(diàn)子能(néng)量是沒有關系的。電(diàn)子能(néng)量和光(guāng)的強度也沒有關系，這是沒有辦法用光(guāng)波特性解釋的，所以對光(guāng)又(yòu)有了新的認識。
在1905年(nián)，在愛因斯坦發表著名的狹義相(xiàng)對論的同一(yī)年(nián)，他也發表了一(yī)篇《光(guāng)的光(guāng)電(diàn)效應》的文章，在愛因斯坦提出來“光(guāng)實際上(shàng)是一(yī)個(gè)粒子，帶有粒子的屬性”，這個(gè)工(gōng)作是愛因斯坦工(gōng)作當中非常有争議的工(gōng)作。這是1913年(nián)，也就(jiù)是愛因斯坦提出光(guāng)的粒子論的八年(nián)以後，普朗克（可以說他是發現了和提攜了當時年(nián)輕的愛因斯坦）擔心光(guāng)的粒子說會(huì)影響愛因斯坦的聲譽，愛因斯坦有可能(néng)選不上(shàng)普魯士科學院院士，他說“總之，愛因斯坦對近代物(wù)理的幾乎所有重要問題都做出了傑出貢獻，他在一(yī)些思考上(shàng)的偶然失誤，比如說光(guāng)的量子論，是可以原諒的, 因為(wèi)即使在最嚴謹的學科中提出一(yī)個(gè)嶄新的概念也是帶有風險的。”最後實驗證明愛因斯坦是對的，實際上(shàng)我們現在知道光(guāng)是有波和粒子的雙相(xiàng)性。所以實際上(shàng)愛因斯坦将我們對光(guāng)的認識，提高(gāo)了一(yī)個(gè)更高(gāo)的高(gāo)度來看(kàn)。所以在1921年(nián)，瑞典皇家科學院頒發給愛因斯坦獎的時候，他憑借在光(guāng)電(diàn)效應原理的發現獲得了這個(gè)獎。光(guāng)電(diàn)效應提出了光(guāng)的量子概念。
同樣的在差不多(duō)十年(nián)以後，就(jiù)是愛因斯坦發表廣義相(xiàng)對論之後的1917年(nián)（廣義相(xiàng)對論是1915年(nián)），愛因斯坦又(yòu)提出激光(guāng)原理這個(gè)解釋，他提出來一(yī)個(gè)所謂受激輻射這樣一(yī)個(gè)概念。這兩個(gè)認知光(guāng)的粒子性和量子性，和光(guāng)受激輻射效應為(wèi)後來奠定了基礎。
創新是認知的源泉，這是非常重要的，在科學教育當中，基礎科學、基礎研究是非常非常重要的。我們可以看(kàn)在愛因斯坦光(guāng)電(diàn)認知的基礎上(shàng)人類走了非常大的一(yī)步，在認知上(shàng)做創新。我們知道光(guāng)的量子認識改變了人類生(shēng)活，從(cóng)光(guāng)的通(tōng)訊，今天我們在網絡的時代，在一(yī)個(gè)信息的時代，如果沒有光(guāng)現代化，我們很難想象我們生(shēng)活是有多(duō)麽不一(yī)樣。我想，有一(yī)天，光(guāng)也有可能(néng)成為(wèi)量子通(tōng)訊和量子信息一(yī)個(gè)非常有可能(néng)的載體。
光(guāng)的量子認知也改變了我們對能(néng)源、清潔能(néng)源的考慮，如果沒有光(guāng)的量子理論，不會(huì)有太陽能(néng)這樣的概念。将來有一(yī)天我們能(néng)實現聚變的話，激光(guāng)也是非常非常重要的。當然激光(guāng)制造也是一(yī)個(gè)非常重要的現代工(gōng)業(yè)的基礎領域。還(hái)有就(jiù)是激光(guāng)醫(yī)療，有很多(duō)事(shì)情在做，包括這些工(gōng)作都是建立在對光(guāng)的認知的基礎上(shàng)。
這裡(lǐ)講的是激光(guāng)醫(yī)療，那麽激光(guāng)也改變了我們生(shēng)活質量，包括照(zhào)明、娛樂，很難想象現代生(shēng)活沒有這樣一(yī)個(gè)光(guāng)的場景，沒有一(yī)個(gè)現代光(guāng)學的場景。剛剛也提過，用光(guāng)技(jì)術(shù)組成的虛拟現實将來有可能(néng)有一(yī)個(gè)非常廣泛的應用。本世紀非常有可能(néng)是第一(yī)次有人類可以登上(shàng)火星，也許到(dào)了那一(yī)天，有可能(néng)在全球有很多(duō)很多(duō)人可以通(tōng)過虛拟的辦法，同步體驗人類走向宇宙的那一(yī)步，這些都是改變生(shēng)活的方面。
那麽今天再回過頭來講，剛剛講的都是光(guāng)的應用，光(guāng)可以成為(wèi)非常重要的科學手段，比如說現在的光(guāng)電(diàn)可能(néng)是物(wù)理學、化學不可缺少的研究平台。現在的光(guāng)電(diàn)的鋪墊是量子材料認知的主要來源之一(yī)，這裡(lǐ)就(jiù)舉一(yī)些例子，比如光(guāng)的電(diàn)子能(néng)譜對電(diàn)子結構的認知是一(yī)個(gè)重要的來源，所以光(guāng)電(diàn)效應又(yòu)成為(wèi)我們認知世界的一(yī)個(gè)源泉。
我想說的是今天可以真正立足光(guāng)電(diàn)效應和現代激光(guāng)技(jì)術(shù)，真正做到(dào)把一(yī)個(gè)微觀世界原子和電(diàn)子實時拍下(xià)來，同步的實現前所未有的空間精度和時間精度，這樣就(jiù)可以看(kàn)到(dào)原子和電(diàn)子之間的互動，這是第一(yī)次可以有這樣的精度來拍這樣的電(diàn)影，因為(wèi)我們真正達到(dào)了微觀世界的時間和空間要求。那麽也可以把一(yī)些微觀世界細節的東西(xī)拍下(xià)來，這對了解微觀世界是有幫助的。
我們知道電(diàn)影對展示人性有非常非常重要的功能(néng)，我們今天真正可以開(kāi)始在微觀世界上(shàng)也同樣用這樣的形式拍下(xià)來，了解他的細節。那我想我們對微觀世界的認知将來就(jiù)可以做一(yī)些應用，這也是現代科學的一(yī)個(gè)非常非常大的進步，看(kàn)到(dào)這樣的精度，實驗的精度。
最後我想總結一(yī)下(xià)，我們講很多(duō)很多(duō)創新，創新跟認知實際上(shàng)是連在一(yī)起的，認知是創新的基礎，所以愛因斯坦光(guāng)電(diàn)效應将人類對光(guāng)的認識提高(gāo)到(dào)一(yī)個(gè)嶄新的高(gāo)度，為(wèi)量子論的建立提高(gāo)一(yī)個(gè)重要的基礎，也為(wèi)現代光(guāng)學尤其為(wèi)激光(guāng)發明奠定理論基礎。可以說信息時代跟量子的認知是有很大關聯。所以我想說，光(guāng)的量子認知依然是現在發電(diàn)平台創新的源泉，從(cóng)基礎科學到(dào)新材料、新能(néng)源，從(cóng)照(zhào)明到(dào)娛樂，從(cóng)光(guāng)通(tōng)訊到(dào)量子通(tōng)訊和量子信息産生(shēng)，從(cóng)激光(guāng)制造、光(guāng)的醫(yī)學，從(cóng)成像到(dào)虛拟世界，我們開(kāi)始拍攝微觀世界的實時電(diàn)影，都是非常值得期待的領域。
我真正想強調的就(jiù)是，在一(yī)個(gè)創新的環境裡(lǐ)面，同樣強調知識認知的動力性，因為(wèi)它真的是社會(huì)發展的主要的根本的來源。
個(gè)人簡介
沈志(zhì)勳
沈志(zhì)勳，美國(guó)國(guó)家科學院院士，斯坦福大學Paul Pigott講席教授；物(wù)理系和應用物(wù)理系教授。沈教授的主要學術(shù)領域是材料中的新奇量子現象。他對開(kāi)拓學術(shù)方向，培育人才、開(kāi)發新技(jì)術(shù)和革新組織有著(zhe)相(xiàng)當的熱情。沈教授也是發明家，創業(yè)者和投資人。他是Astronergy （正泰太陽能(néng)），PrimeNano Inc.，和LDV Partners(複盛創投)的聯合創始人。