2010年3月24日星期三

今日物理:中国物理学

译文:PHYSICS TODAY:中国物理学

作者:Charles Day发表时间:2010年3月译者、:freetrans


从广度和深度看,中国物理非常类似其他技术先进的大国。但其历史、政治和社会环境具有中国特色。


March 2010, page 33



中国最近在物理学上的崛起是很显著的。1986年,在文化大革命结束10年后,中国物理学家只在物理评论快报(Physical Review Letters)上发表4篇文章。1996年,总数为28篇。2006年跃升至202篇,与来自意大利和西班牙的文章数目持平。质量跟随数量同步上升。 1986年发表的四篇文章,后来平均获得25次引用。去年,汤姆森.路透宣布一篇中国论文为年度最热论文之一 [1]。这篇论文是安徽合肥中国科大的陈仙辉(音)与其合作者发表的用新发现的铁基材料实现的43K超导性的工作。它已经有了100次引用(在中国,习惯上姓氏放在前面)


陈的文章和其他过去数年中发表的文章来自新设立和改造一新的充满新设备实验室。牛津仪器(Oxford Instruments)是液氦低温保持器和其他用于研究开发的高科技工具的主要供应商,在 过去3年中,他们在中国的销售量上升了78%。中国也已经设立了一些新的研究设施。在香港以北50公里处的大亚湾沿岸,承包商们正在接近完成大亚湾反应堆的中微子实验。这个1亿美元的项目目的是测量θ13,这是一种关键的、接近0参量的中微子震荡。在海平面之上4公里处的南极冰原 Dome A,中国正在计划建立一所永久性观测站,这一地区是世界上仅存的未开发过的最好的光学与红外天文观测地。

拥有13亿人口,经济也接近于超过世界第二的日本,中国似乎正在成为物理学的前列国家。虽然他们在科学上的开支无论是绝对值还是人均值还少于美国和欧盟,但是他们正在快速追赶。根据美国国家科学委员会的最新报道,中国在研究人员数量上已经超过美国 [2]。

的确,中国物理的前景可能依赖于它如何利用其最大的资源:人口。从这一方面看,摆在中国前面的挑战更多的不是基金而是创造一个知识环境,在其中是想象力和创新力在蓬勃发展,而不只是努力工作和技能。

这篇文章基于我的2次中国旅程,2008年10月和2009年12月。我看到的研究实验室和他们在西方的同行没什么不同,除了在某些情形下创新性不同。但是中国不同于西方——不止是在独特的文化和悠久的历史上不同。快速发展的经济和中央政府高度的控制性,为物理学创造了一个独特的环境。描述这种环境是本文的目的。


简史


如果现代科学是为学术期刊、专业社团和研究实验室所指代的事业,那么物理学和其他科学在末代皇朝清朝倒塌的1911年开始现代化。1937年日本突然入侵中国时,中国科学已经具备了相当质量,如果有一位来自欧洲或美国的访问学者,那他将会认为中国科学已经现代化。

这个变化的最重要的发起人是那些将科学视为强大、现代和独立中国的奠基石的年轻人。他们中的许多人利用了1907年西奥多罗斯福总统设立的基金,该基金来自1900年义和团暴乱后美国索取的战争赔款的多余部分。这笔基金也用于北京清华大学的建立。

据波莫纳的加州理工大学的历史学者王佐野(音)所说,”庚子学者“采用了成熟的多管齐下的方法。在1914-1915年间这些人虽然还是在美国留学的学生,但是他们自发形成了中国的科学社团,并且出版名为科学的杂志。在第一位学者学成归国后,他们结交富人,发表时髦文章,劝说政客支持科学发展。中国第一个现代实验室,南京生物研究所,1922年由这个社团建立。

战争终结了曾经良好的开端。在灾难深重的8年占领后,日本1945年战败,接着是毛共和蒋介石的国民党争夺江山的4年内战。共产主义者在1949年取胜,物理学和科学的前景难以预料。毛认为中国的进步和繁荣需要科学。但是他并不完全信任科学家。他的革命是农民反抗资本家和其他”剥削阶级“的斗争。科学家明显不是农民阶层。

1954年苏联拒绝帮助中国制造原子弹。不久,中国开始设立自己的曼哈顿计划,这意味着中国不止是需要发展核武器和导弹,也需要建立大量的国家研究机构。虽然科学的必需性出现了,但这并不能让科学家豁免1957年发动的”反右“运动。

1964 年周恩来总理在全国人大上发表讲话,预示了中国政府现今对科学的态度。周的报道阐述了四个中国需要取得进步的领域,也就是后来为人所知的四个现代化:农业、工业、国防和科技。周在报道中提到,科技对于另外三个领域至关重要,无论对于社会主义还是资本主义科技都是必须的,科技是意识形态中立的,科技有助于全世界各国人民 [4]。

周关于科学是意识形态中立的看法被推延了。1966年,毛担心他的权力旁落,发动了文化大革命。在最初三年的暴力时期中,科学家、医生和商铺主——也就是从事资产阶级职业那些人,受到指责并被发配往农村,与农民一起种庄稼和喂养牲畜。但科学并未消亡。在文化大革命期间,中国发射了一颗卫星,爆炸了一颗氢弹(参阅 Tom Reed 撰写的”中国核试验,1964-1996“,PHYSICS TODAY, September 2008, page 47)。下放农村的科学家保持了他们的知识。1972年,今日物理(Physics Today)发表了第一篇中国物理学调查报告,那时中国研究重建了,重点研究应用领域(参见 Gloria B. Lubkin 撰写的”物理学在中国“,PHYSICS TODAY, September 2008, page 47)。

毛死于1976年,随后在一场内斗后,邓小平成为中国至高无上的领导人。 邓,同周一样,意识到科技的重要性。在1978年的全国科学大会上,他巧妙地免除了科学家的意识形态污点,他重新定义”知识分子是工人阶级的一份子“。” 那些脑力劳动的人是劳动者一份子。“

邓的继任者,江泽民和胡锦涛(都曾被训练成工程师)继续执行他的政策。3年前,中国发布了15年中长期科技发展计划(MLP)。如同重复周的看法,该计划把科技放在中国经济的核心。MLP 要求2020年前中国把 GDP 的2.5%用于研发,且60%以上经济增长的归结于技术进步(参看Cong Cao, Richard P. Suttmeier, and Denis Fred Simon撰写的”中国的15年科技计划“,PHYSICS TODAY, December 2006, page 38)。根据国家科学委员会的数 据,2007年中国GDP的23%来自知识和技术密集型工业 [2]。(美国的数据是38%)


科学确实在推动中国的繁荣。1984年,11个来自北京科学院计算所的研究者成了一家小型计算机企业,联想。这家公司的”杀手级应用“是一个能在标准键盘上便捷输入汉字的算法。2005年,这家更名为 Lenovo 的企业,已经发展壮大至可以收购 IBM 的整个 PC 制造部门。成立于1985年的电信设备制造商中兴公司,源自中国的航天部门。与此相反,最近成立的尚德电力,太阳能电池的世界领先企业,2001年成立, 其成立的模式与美国模式一致:创始人说服投资商出资赞助其商业创意。


MLP 对技术导向的增长的强调,为基础研究留下了空间,正如中国现任总理温家宝在2008年与科学的访谈中所说 的:
我个人认为,基础科学研究非常重要,因为我相信没有基础研究作为源泉和推动力,应用或者开发研究就无法进行。但是,就我们自己而言,通常因为功利和短期利益,容易忽略掉基础研究。这是应该避免的 [5]。
物理基金



中国顶尖大学里的物理学家主要受益于几个基金来源,其中最大的是科技部( MOST )。该部协调和执行规模最大的国家科技优先发展领域,决定聚焦哪些领域,比如纳米科技和量子信息,和哪些大学应该主持实验室和相关设施。


比如,科技部资助中国科大的合肥微尺度科学国家实验室。该实验室的研究范围很宽泛:量子信息,蛋白质折叠和功能纳米材料只是数个研究领域其中的一部分。科技部同样资助南京大学微结构国家实验室。虽然名字类似,但是这两个实验室是互补性质的。南大的实验室侧重研究较大尺度,100纳米-1微米范围内的现象,比如表面等离激元、光子学、晶体成长和器件物理。图2是该实验室研究的一个例子。

为了获得较小的单独研究项目,中国物理学家申请国家自然科学基金( NSFC )。NSFC 拨款资助数个宽泛而简洁的设定好的领域,比如去年的流体力学指南里面写道:
流体力学的申请应该注意研究复杂流体的规律和机制(包括非稳态流体、湍流和复合相流体问题)。该分类将继续支持航空航天、船舶与海洋工程、城市排水工程、化学工程的流体力学问题的研究,以及在能源、环境、和其他高科技和先进技术领域的流体力学问题的研究。
拨款最高可至60万人民币(8.8万美元)。 正如同类似地美国自然科学基金,NSFC 采用同行评阅的方式评估申请报告。

省级和当地政府也资助科学,以中国科大为例。安徽是中国科大所在的省份,拨款资助他们的学生加入精英大学。临近省份江苏省的苏州市,在其郊区拨出土地用于中国科大软件学院的建立。

中国科学院成立于1949年。类似它在中国大陆的前身,中央研究院和它主要的榜样,苏联科学院,中国科学院作为国家最好的科学家的专业组织,在它自己的专业研究机构里面开展研究。中科院研究所,大概100所,研究范围涉及整个自然科学领域,包含了物理学的所有分支。中科院也负责几个大型科学设施,包括北京的正负电子对撞机、兰州的重离子研究装置、合肥的先进超导托马克实验装置和上海光源。中科院国家天文台运行着中国最大的望远镜。

中科院不是科技部的下属。这两个机构都由中国的最高行政机构国务院管辖。科技部是部委,中科院和 NSFC 都是机构。这三个组织执行国家的科技优先发展计划。作为中国科学的精英,中科院院士个人影响科学政策,但,正如同在美国那样, 由政府制定和执行政策。

在中科院研究所工作的研究员——比如北京物理所——一般都有设备优良的实验室和从中科院研究生院招生的渠道,但不必负责教学。物理所主要对凝聚态物质开展实验和理论研究,该所对新发现的铁基超导体的特性研究(参看 PHYSICS TODAY May 2008, page 11)排在国际前列。目前最高的超导温度 Tc, 55K 是物理所取得的。图3是物理所的主体建筑。


大学


作为学生学习和学者做研究的地方,中国的大学很早以来就被利益和当时政府的影响所左右。中国第一所真正的大学:北洋大学(现为天津大学),1885年在天津成立,当时的清王朝经过多年的衰败,在那时进行了一次短暂的政治和文化变革。之后的20年,中国最受尊敬的大学陆续成立。

如今,中国的大学大致可以分成两层系统。上面一层是100所左右被教育部管辖的大学。之下是2000所左右由中国22个省和5个自治区管辖的大学,其中不包括中国两个特别行政区,香港和澳门的大学。中国决定让它的大学与西方大学进行竞争,由此开始了数次提高资助和重组的运动。最近的一次动作是去年10月,宣布成立C9联盟,由9所最好的大学建立的联盟。

更老且更为广泛的行动,是转变仿苏联体制的专业技术院校模式。比如,杭州的浙江大学合并了医学院。 南京大学正对一个工程学校进行合并。因为合并和扩大,中国的大学正在建设新校园。复旦大学的新校园在长江边上一块新征的工业用地上。这所新校园,包括一座崭新的物理系建筑(参见图3),建筑风格向上海外滩致敬,上海外滩是一条在黄浦江沿堤布满19世纪建筑的长街。

大学的经费也有来自中央、省级和市级政府之外的来源。清华大学新成立的纳米技术研究中心部分经费来自富士康公司,这家公司是台湾的计算机组件制造公司。科维利基金(The Kavli Foundation)已经在中国建立了两所研究所,北京大学的科维利天文和天体物理学研究所(KIAA)和附近中科院校园中的科维利理论物理研究所 (KITPC)。

那么中国大学中就读的一个本科生能接受到什么样的教育呢?一次简短的访问,很难给出这个问题的答案。当然,中国重视教学的传统仍然很强。比如,清华大学和浙江大学, 修建了用于物理学教学用的大型实验楼。学生们在那里做一些经典实验,比如搭建和测试惠斯登电桥, 但他们也做超导体实验。需要指出的是美国和欧洲最好的研究生院都招收中国学生。

国际合作


虽然有科技部、中科院和 NSFC 支持国家目标,中国也寻求国际合作。由北京高能物理研究所领导的大亚湾反应堆中微子实验,就是个国际合作项目。合作单位名单包括2个美国国家实验室(布鲁克海文和劳伦斯.利弗莫尔)、14所美国大学和2所俄国研究所、 1所捷克大学和两所台湾大学。美国负责支付一半的经费。


中国在天文学上的努力,展示了这个国家如何把国家利益和国际合作联合起来。中国现在缺乏建立世界领先的天文台的经验,比如像欧洲航天局最新发射的红外卫星,Herschel。通过自主努力取得经验需要时间,且也许会让中国落后得更多。为了追赶,中国寻求将自我发展和参与国际项目混合起来发展。

中国最近服役的 LAMOST 望远镜,其观测天空的方式类似斯隆数字化天空观测(Sloan Digital Sky Survey,SDSS)——亦即,它将自动决定在大片星际中的恒星和星系的光谱(及相应的红移)。LAMOST 的主体镜片面积是 SDSS 望远镜的四倍,且它的焦平面 CCD 更有效率且更灵敏。LAMOST 的性能某种程度上受限于它所在的河北省的真正晴朗夜晚的次数。但是,人们期望它能产出我们星系中恒星运动的最完整的图像,利用它可以获得银河系重力物质 (包括重子物质和暗物质)迄今为止最准确的分布图。


LAMOST 望远镜将给中国提供生产和操作分割镜片的宝贵经验。在本文即将出版的时候,中国正在谈判参与30米望远镜(TMT)项目的条款,该项目是美国-加拿大合作项目,在夏威夷莫纳克亚山修建巨大的分割镜片天文台。

在 TMT 项目中,中国将担任少数派角色。但在提出的 Dome A 天文台项目中,中国将出任领导。如图1所示,目前已经在进行场地选择。在遥远的南极进行观测,其挑战是令人生畏的。需要在那里发电,数据不得不经过漂移、 裂解的冰层才能获取。中国主要靠自身力量应对挑战。


中国同样觉得要成为国际来访者的友好且有利可图的接待地。两个例子可以体现这个趋势。浙江大学和位于德州休斯顿的 Rice 大学已经合作建立了一个量子物质国际合作中心。伦敦纳米技术中心和德国德累斯顿的复杂物理马普所也参与其中。其主意是通过工作会议和长期访问促进符合双方利益的项目的合作。在北京大学,成立已2年的 KIAA 也开展了一些国际工作会议(如图4)。KIAA 的初创主任 Doug Lin 说,该研究所将作为西方和中国研究者可以合作和彼此互相学习的地方。


不幸的是中国加强和美国合作的意愿受挫于美国移民政策。为了获得美国签证,中国物理学家必须遵循的手续很繁琐,既浪费时间,又存在不确定性——考虑到这些很多中国物理学家放弃了访问美国。申请得到美国签证需要耗时3个月。与此成鲜明对比的是,中国物理学家申请欧盟签证只需4个工作日,而且不需要私人申请。美国访问者申请中国签证只要1天时间。

人的因素


中国要在物理学上胜出的驱动力,再配合中国自己的物理学家,产生了一个资金充足和高度竞争性的研究环境,它跟西方不同,具有独特的中国特色。许多中国大学,不一定是那些最好的大学,也出资奖励那些在 NatureScience 和 其他高影响因子杂志上发表文章的作者,奖金额度接近作者1年的薪水。发表的压力可能就是中国文章在应用物理快报(Applied Physics Letters )和其他杂志上低于平均水平的接受率的背后原因。

为了吸引华人物理人才加盟,竞争尤其加剧了。竞争是两重的:存在于中国和西方之间,也存在于中国研究机构内部。北京和上海的大学和研究机构可以说明所在的城市的财富、规模及其重要性,作为吸引人才的诱因。浙江大学位于杭州,这是一座从马可波罗游记作者到现代旅行指南的作者都公认的中国最美的城市之一。与此相反,合肥的中国科大,标榜自己坐落小城市,房价低廉。为了让天平偏向他们自己的大学,一些系主任被赋予弹性权力可以授予年轻的海归正教授职位。最后,研究机会可能最重要。丁红2007年离开波士顿学院海归物理所,目的是为了“更好的研究支持,包括资金和人员,以及更广阔的竞争空间”。


出成果的强烈竞争让一些中国物理学家抱怨,他们没有更多的时间去思考。当一个研究的目标很明确——例如在量子计算的凝聚态实现上追上美国——努力而果决的付出可能会获得成功。但没有时间去思考,创造出新的领域会更难。举两个例子来说,中国对新的铁基超导体的理解和扩展量子密码通信实际应用令人印象深刻。然而这些领域都发源自中国之外。

另一方面,对比美国的结果提示我们,中国可能只需要等待培育真正原创的研究。1870年代,美国经济成长至可以跟英法德媲美。富裕的美国工业家建立和资助大学。第一次世界大战末期,美国经济是世界上最大的经济体,然而那时的美国优秀本科生仍然离开美国留学欧洲。直到1930年代,美国才成为卓越的科学超级大国。犹太科学家离开纳粹德国涌入美国,当然也有所帮助,但那些被驱逐的人到达美国后,发现美国拥有广泛的基础设施和丰富的资金来源。他们也找到了当地成长的优秀同事。

等待在科学上的投资奏效可能还不足以确保中国成为科学超级大国。正如一些中国领导人意识到得,教育系统需要变革。郭树清是中国建设银行总裁,这是世界上最大的金融机构之一。他也是中共权势至上的中央委员会成员。他去年在金融时报评论版面上撰文,郭列举了为了深入发 展中国必须克服的障碍。他列出来的第三点是:
中国人力资本的发展对于中国未来至关重要,但是中国在教育和培训上还远远落后于发达国家。我们的教育制度不利于鼓励创 新。这妨碍了高水平和可持续发展。
中国的教育体制是高度竞争性的。三天的国家考试,高考,决定了谁能进入最好的大学就读。为了高考成功需要的准备是如此的剧烈而广泛,以至于学生很少有时间去发展符合他们好奇天性的习惯和激情。

我非常感谢给我慷慨和细致帮助的中国主人:复旦的金晓峰,物理所的王玉鹏,清华大学的朱邦芬,中国国家天文台的薛穗建,Kavli天文和天体研究所的 Doug Li,浙江大学的李有泉, 中国科大的王晓平,南京大学的王牧和李建新。我也要感谢香港大学的张富春和 Janis 研究公司的赵祖宇。感谢他们的宝贵帮助和建议。

Charles DayPHYSICS TODAY 的高级编辑。

[译者注:《Physics Today》是著名的物理学杂志,收录国际物理学界权威人士对一些物理学重要研究进展的评论文章、对物理学科的讨论、圈内新闻,以及物理学历史上发生的一些重要事件。]

References

  1. 1. X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008) [MEDLINE].
  2. 2. National Science Board, Science and Engineering Indicators 2010, National Science Foundation, Arlington, VA (2010); available at http://www.nsf.gov/statistics/seind10.
  3. 3. Z. Wang, Osiris 17, 291 (2002).
  4. 4. P. Li, Isis 76, 366 (1985).
  5. 5. H. Xin, R. Stone, Science 322, 363 (2008).

来源说明:本文1.0版本来源译者团队。

收录说明:本文已经收录到“译者文集”中,同时进入
“译者康城客官”索引。

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