科学突破与人才培养
[发布日期:2021-05-26 点击数:

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演讲人:薛其坤 演讲地点:清华大学校庆系列学术讲座 演讲时间:二?二一年四月

著名物理学家,中国科学院院士,南方科技大学校长兼任量子信息科学研究院院长,主要研究方向为扫描隧道显微学、分子束外延、拓扑量子物态和高温超导等。曾获国家自然科学奖一等奖、菲列兹·伦敦纪念奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖以及全国创新争优奖章等。

我们知道,作为一个大学他的根本使命就是人才培养,立德树人是有理想有抱负的大学必须要做的事情,清华大学发展到今天,我们国家的发展也到了一个全新的阶段,杰出人才对于清华这样的学校,变得极其重要。所以今天我的讲演,就是从以点带面的角度,结合具体的事件特别是我非常熟悉的科学突破,包括我们自己做出的一些进展,来谈一谈人才培养。

寻找杰出人才

杰出人才该具备哪些要素呢?

第一个要素,我认为要具备扎实的理论基础,需要对专业理论知识的理解入木三分,对相关学科的理论和知识能够融会贯通,另外还要对于专业实验技术仪器和方法的驾驭炉火纯青。新时代与旧时代的区别,在100年以前的时代,可能一个聪明的物理学家拍一下脑袋就会做出重大发现,而到了现在这个时代这样不行了,所以说对于实验技术仪器方法的驾驭甚至是发现变得极其重要。

第二个要素,是有卓越的科学直觉。咱们每个人都有直觉,科学研究同样也要有直觉,有发现问题和解决问题的突出能力,有擅于透过现象看本质的犀利眼光,有擅长归纳演绎等杰出辩论思维能力。

第三个要素,是对探究自然奥妙或者是对回答问题、解题等,有浓厚的兴趣,有解决问题的强烈愿望。优秀学生就是这样的,他看到一个事,如果他搞不懂的话,类似于打游戏不打通关,可能一年时间里茶饭不思他也要干下去,这其实就是说,在科学探究中,要有虽千万人吾往矣、敢于挑战权威的勇气,要有百折不挠、追求极致、挑战极限的品质品格。

同时还需要有为我们祖国强大和民族复兴献身的远大抱负和理想等。

这是我认为一个杰出人才应该具备的。

科学精神的重要性

下面,我结合我的专业来谈一下科学精神的培养。

1915年爱因斯坦提出了广义相对论,广义相对论的一个基本推论就是引力波。此事过了100多年以后,美国的实验人员用激光干涉仪直接测到了这个引力波,咱们清华大学的曹军威老师及其团队也参加了这个项目的研究。这个引力波的探测实验是非常让人感到惊奇的,2015年观察到的实际是13亿年前的引力波,地球现在的年龄大约是45亿年,13亿年前我们的地球相当于还在上小学,发生了产生引力波的一个事件,然后引力波经过13亿年传播了100万亿公里,到达了美国的激光干涉仪那里,让他们看到了。产生这个引力波的是什么事件呢,是当时两个巨大黑洞的碰撞,一个相当于29个太阳质量的黑洞和另一个相当于36个太阳质量的黑洞的相撞,产生的巨大能量变成引力波,并走了这么远的路,最终被观测到了。观测到引力波,需要什么样的技术呢,它要求这个干涉仪灵敏度要达到10-18米,可能大家对10-18米不一定有感性认识,其实就是相当于质子大小的万分之一,这个技术是很了不起的,再回想一下这个事件就是遥远过去发生的事情,引力波非常努力传播了100万亿公里以后终于到达了地球,但是对于地球上的干涉仪因为引力波导致的时空扭曲的长度变化,只有10-18米完成。这个实验的结果姑且不论,起码这件事会让你感到很兴奋。我们谈多学科交叉,这就是一个典型的多学科交叉的结果,它涉及物理学、天文学、激光技术、精密仪器计算机技术、低温技术、超高真空技术,甚至是土木工程技术等,这些汇集起来,最终实现了这个探测。这个实验能让我们看到大和小的统一,看到远古与现代的统一,看到强大与弱小的统一,看到了时间与空间的统一,看到人与自然的统一,这个非常经典的实验很显然是能培养杰出人才的。参加这个探测的科学家获得了2017年的“复旦—中植科学奖”,后来又拿了诺贝尔奖。

我讲这些科学突破,就是让大家感受到,科学精神的培养需要重要的重大的恰当的问题。所以,我们在大学培养人才的时候,除了教授基础知识课堂知识以外,我们一定要给我们的学生恰当并且重要的问题。我对我的学生提出了非常重要的问题,他干了三年以后你们可以去采访他们,他现在已经很难坚持下去了,因为很难发文章了,但是我们要培养好的科学精神、培养好的人才,需要找类似于像引力波、像量子霍尔效应等等重要的科学问题,在解决这类重要科学问题的同时,也就培养出人才,而且参加解决科学问题的这些人才都有非常好的科学精神。

科学精神需要扎扎实实地磨炼

那如何培养学生的科学精神?下面讲一下我熟悉的或者我亲身经历过的培养科学精神的例子。

1981年,两个瑞士物理学家基于一个量子原理发明了扫描隧道显微镜,五年以后获得了诺贝尔物理学奖,这为人类创造了第一个在实空间可以直接观察原子的“眼睛”,而且人们用这种扫描隧道显微镜时可以操纵一个原子,不但能看到原子还可以把原子摆来摆去,这开启了纳米时代和纳米科学这个领域。这个显微镜的原理非常简单,一个三维运动的针尖,然后连接加上电流就可以形成一个扫描隧道显微镜。不过用到了一个非常重要的实验技术。我们在做这个实验的时候碰到一个最基本的技术问题,就是要自己做这个针尖,买的针尖不好用,就要作一个既尖又皮实又稳定的针尖,这样的针尖,当时全世界可以做好的不到十个人,我是其中之一,这个花点时间就可以做出来。

但是为了做出这样的针尖,我曾经有过制备1000个以上针尖的经历。我在读硕士的时候学习的试验技术叫作场离子显微镜,场离子显微镜用到的样品研究的对象就是针尖,当时我用场离子显微镜干了两年,没有发表任何文章,但是我最大的收获是在导师的严格监督下,每天至少要试做3个针尖,所以两年下来我做了1000多个针尖。当时我觉得自己很悲惨,花了两年时间做了1000多个针尖,也没有发现任何东西,更没有发表文章,最后他们一看没有希望,就把我送到日本去了。然而,恰恰是这样的经历,为我后来研究扫描隧道显微镜奠定了基础,扫描隧道显微镜样品是可以选择的,但是用到的技术就是需要做一个好的针尖。后来我们做量子反常霍尔效应实验需要STM指导,STM这个实验要做好,必须要有非常娴熟的制备出世界上最好的扫描探针针尖的能力。

现在面对我的学生,我在实验室里有威信的地方就是,我敢于和他们比赛做针尖,我的学生基本上不和我比这个,虽然可以说他们读文献比我读得快,英语比我讲得好,物理学知识考试比我考得更好,但是这个方面是我做导师要培养他的地方,这样才能够说服你的学生。

我的这段经历,我想也会给大家一个启示,科学精神的培养需要长期的积累,需要扎扎实实地磨炼和培养。所以大家一定不要以为科研干了几年没有任何收获是吃亏了,如果在这个过程中你养成了努力的作风、追求极限的作风,能踏踏实实,安下心来做东西,这可能比你去发表一篇论文更加重要。这就是科学精神的重要性。

滴水穿石的科学精神

再讲一下量子反常霍尔效应。量子反常霍尔效应理论有了以后,经过我们和很多教授交流,实验很明确,就是要制备出一个特别的样品——磁性的、拓扑的、绝缘的一个薄膜。磁性和绝缘一般情况下是互相矛盾的,比如玻璃没有磁性但是它是绝缘的,磁铁是有磁性的但是它导电,而且又加了一个要求,那就是拓扑。这就相当于要我们培养一个运动员,他需要比姚明篮球打得好,比博尔特跑得更快,比滑冰运动员还要伶俐。这个是非常具有挑战性的实验。当然,由于我们这个实验是有非常独特的仪器,我们可以随时用原子精度的“眼睛”去监测我们制备的样品,我们材料的质量是全世界最好之列的。不过,即使有这么好的条件,我们也是到了2012年的年底才完成这个实验。

这个实验可以说是非常折磨人,四个研究团队在一起干活,前后涉及的博士生有20多位,团队里的每个学生都想毕业并获得清华大学优秀博士论文,但是每个人都不知道自己的将来角色,能不能得到这个最后的结论,这个理论对不对。大家就在这种不知道的情况下坚持干了四年。我们每天重复同样的实验,或者类似的实验,最初的一年过去后,我们终于找到了一点蛛丝马迹,当时老师和学生都兴奋得睡不着觉,但是距离实验目标还差得很远。然后又是半年多过去了。花了一年半的时间却看不到目标,如果换做大家在那里,能坚持下去吗?到了2012年年初,我们又找到了一点蛛丝马迹,又兴奋了几天,然后又进入每天没有进展的阶段,这样又坚持了八个月。最后到了2012年国庆节期间,国庆节假期别人都在游玩的时候,我们的学生找到了一个样品改善的方法,基本上抓住了实现高质量样品的关键,大家可以看,在这个过程中我们每天重复实验,但是仍然大有文章可做。通过这个实验,我们可以培养学生发现问题的能力,分析问题的能力,解决问题的能力。

在这个过程中我们培养了很多人,都是非常优秀的学生。最后得到的结果,不但将这种科学精神植入了我们学生的灵魂中,同时让我们也享受到了大道之行科学的美妙。

当实验过程非常艰难或者是进展非常缓慢的时候,该怎样让学生们坚持下去呢?我认为需要的是鼓励,这时候要鼓励学生,告诉他们“你们很厉害”。另外,我觉得还要和同学们多做交流,能够帮助他们,大家一起分析出问题的原因,这是以前经常做的,在这个过程中,苦口婆心还是很重要的。另外我觉得,老师需要多花一点时间,从关心学生的角度、关心他成长发展的角度,给他做思想工作,这样他也更容易接受。所以说咱们都是为了一个共同的目标,在追求目标的过程中遇到困难,相信学生也是可以理解的。需要注意的问题是,这个时候老师该找一种什么样的方式让学生得到放松,这个要求对每个学生来说,具体情况也不一样,但是在我看来,大部分情况下只要老师能从关心学生角度、帮他充分分析原因的角度上给予足够指导的话,在困难面前大部分学生还是可以坚持下来的。

当然,实验也可能努力到最后,学生还是得不到这个结果。但是培养学生分析问题、发现问题、解决问题的能力,这个是大家未来走得更远、成为杰出人才更重要的素质。就在这种探索的过程中,研究者会形成极其明亮的眼睛,任何蛛丝马迹都可以抓住,在这个过程中研究者会实现对实验技术的驾驭达到炉火纯青的程度,因为研究这个领域肯定是天天忙活、天天要解决各种问题,这需要读无穷多的书,对这个方向的理解也随之会入木三分。反过来,如果导师给的题目,几个月就干完了,实验全部完美完成,那肯定是一个不重要的东西。甚至我们说,基本上在一年之内完成的实验是不会有什么好东西的,尤其是在现代社会我们更需要的是滴水穿石的科学精神。在坚持中不断培养自己的这些精神品质,成功了的话能够证明理论的正确,不成功的话同样能证明我们实验的伟大,我们敢于否定你,你那个理论公式称得上完全的严谨,但是我们通过实验证明你是错的。

如何寻找科研中的好问题

这里还引出了另外一个问题,那就是怎么评价科研中的问题好与不好,以及该怎么发现这样的问题。在科研中,如何甄别好的问题是很重要的。大的科学问题很容易甄别,但是具体到一个小的方向、一个具体的问题,这个判断就需要我们的基础知识必须牢靠,这是非常重要的。你想判断这是不是一个科研领域的好问题,首先理解概念要清楚,从我们专业来说,首先是物理概念要清楚,我的有些学生问我的要求是什么,我说只要你们确保概念清楚就可以了。物理概念是必须要清楚的,比如为什么雨后会出现彩虹?你也不用去给我具体推导,但是需要你能用很清晰的概念把这个事解释清楚;为什么木头不导电也不导热,为什么陶瓷导热不导电,而金属既导电又导热?这些问题都是最基本的物理现象,学生们在学习了这么多深刻的核心课程以后,是可以把概念升华出来的,应该一下子就能解释出来,而且还是用很简洁的概念解释清楚它。这是第一点,我认为这是必须掌握的能力,也就是通过基础知识核心课程的学习,实现在基础上概念理解的升华。

第二,要通读文献,多读文献。

第三,要经常参加学术报告,要经常和人交流,通过这样的交流可以开阔视野和思路。

甄别问题实际上还有一点,那就是要自动地去问,这是不是个好问题?实际中很多人是不知道这个问题是不是好问题的,很多人说自己要研究重要的科学问题,他口号可能一直这么喊的,但是碰到这个问题的时候他从来不主动去问,导师告诉他去做问题,他就去做了,他不问导师提出来的这个问题为什么重要。实际上经过仔细的思考,再加上与同学的讨论、和老师的交流,只要敢问出这个问题来,自己可能就会找到答案。这也就是大家常说的,你能提出问题,就基本上找到了解决问题的一半答案。但是很多人在这个过程中,可能会忙于具体的事务而不会思考这个问题。所以除了我刚才讲的那些鉴别问题的注意事项之外,我建议在座的各位立志于科研的同学,你要和小孩一样,要坚持问为什么,为什么让我做这个?这个问题为什么很重要?你只要能问出来,可能就会找到你需要的答案。

比如说我去做高温超导,有学生可能会问薛其坤老师为什么做高温超导?目前不是已经都出来了吗?我就会说,常压下的高温超导如果未来可能实现了,那就是非常重大的突破;未来如果实现不了,这样的工作也能让你一口气大干五年,而且还是忘记了时间的大干五年。在这样的实验过程中,在春风化雨的过程中,就培养了通读文献的能力、掌握了相关技术等。如果一位同学跟我说,薛其坤老师我在研究生阶段发表了15篇文章,做了15个不同的实验,那我的感觉可能就是觉得你是做了15个菜一样,就好像你让我做红烧肉,我做好了,也就是一篇文章发表了,接下来你要红烧鱼、红烧鸡蛋、红烧海参等等总之都是红烧的菜肴,那么一连15篇文章发表了,我觉得这是没有什么意思的,清华的学生能完成,别的学校的学生也能完成,如果是这样的15个实验,那肯定是缺乏实际挑战性的,也很难培养人的科学精神。应该怎么样?应该去试着读几篇你自己不懂的文章,比如我看上一年也看不懂的书,如果你给我找到一本这样的书,我一定会看,在这个过程中能够增加我的思考能力,就像我一直强调的,一个重要的问题肯定不会是在短时间就可以解决的,难度和时间或者说问题的重要性和科研攻关的时间基本呈某种比例关系。

小结

以上,我讲述的是这几个科学突破的例子以及我自己的理解。作为清华的一位老师或者是曾经参与过学校管理工作的人员,我认为对于杰出人才的培养包括合格社会主义的建设者和接班人的培养,科学精神是非常非常重要的。

所以在座的诸位同学一定要记住,你在清华完成一个论文也好,完成学习也好,可能需要一个明确的目标,但是过程同样是很重要的,科学精神的培养是至关重要的。真正的科学大突破,与科学精神的培养是相辅相成的,在科学突破探索的过程中,我们会培养出非常优良的科学精神,反过来,培养出来的精益求精、滴水穿石的科学精神,对在座的各位实现真正的科学突破,也是有很大的作用的。

来源:《光明日报》202142410

作者:薛其坤