英才教育需要结合科研的超前学习


我与张捷兄认识很久了,他是名门后代,祖父张文佑,外祖父赵九章,父亲张肇西都是中科院院士。张捷兄中科大物理系毕业,后来从事过核物理、半导体集成电路、律师、房地产投资、文化传媒等行业,堪称传奇。他有一儿一女,比我的儿子大几岁。我们聊天时,经常涉及到了家庭教育,张捷兄的育儿经验让我受益良多。最近听说他要把这些经验与理念写成一本书《拼娃》,去影响更多的人,这真是非常好的事情!

在我看来,他的育儿理念远远超越了家庭教育的范畴,而与家国天下联系在一起。从大的方面来说,国与国之间的教育竞争,某种程度上,也是在拼娃,比拼的就是国家下一代人才的厚度和高度。教育有很多个层次:义务教育、普及教育、超长教育和高等教育等等。不同的层次,有不同的目标。国与国之间的教育竞争,义务教育是基石,而高等教育则是核心。到了高等教育阶段,教育与科技创新是融为一体的,一流的高等教育,能够让潜在的人才脱颖而出,发挥出最大的能力。而一流人才把创造力发挥出来后,会极大的提升所在国家的科技实力,在国际竞争中占得先机。

过去4年,我担任了清华大学计算机科学实验班“姚班”2013级的班主任。清华大学计算机科学实验班是计算机研究领域最高奖图灵奖获得者姚期智院士2004年回国后在清华大学工作后创办的,目的是改革中国计算机高等教育的培养模式,探索培养计算机领域的顶尖人才。从姚班创办之初,就吸引到了中国最好的计算机与信息科学方面的天才学生。结合我的姚班班主任的工作经验,我极为认同张捷兄的一个观念,那就是教育要发挥人的特长,对于自身感兴趣与有特长的领域,要超前学习,才有希望取得超越前人的成就。

作为班主任,我与2013级姚班的学生有很多接触与交流,从他们身上看到了无穷的潜力。这些学生最大的特点就是主动地超前学习:大一念大三、大四的专业课,大二念研究生专业课,还拿课程的最高分,是非常普遍的事情。姚班大部分生源都是竞赛生,他们在高中时就自学了很多大学的数学与计算机专业课程。因此,对他们来说,超前学习是从中小学就养成的习惯。正是因为超前学习,使得他们在大二就能开始进行科研训练,参与最前沿的项目。到了大四上学期,班上的同学,大都做出了很好的研究成果。个别突出的人,已经发表了好几篇高水平的论文,并有多篇论文投稿中。据统计,截止大四上学期末,全班三十余名同学,一共发表和投稿的论文已经超过七十篇。

为了能够发挥出姚班学生的潜力,学校还投入了大量资源资助他们去欧美一流的研究机构交流学习。要培养顶级的人才,最好的办法就是去顶级人才那里与他们朝夕相处,向他们学习。这些学生们也不负众望,做出了顶尖的成绩。一位学生去美国麻省理工学院访问时,写了四篇论文,解决了理论计算机领域的一个多年的难题,被麻省理工的指导教授称赞为他所遇到的最出色的学生。

清华大学姚班的创办与实践,证明了中国也能办出一流的计算机本科教育,从而吸引最顶级的学生加入。跟张捷兄聊到教育时,我们都认为,国与国之间的教育竞争是极为激烈的,中国必须要办出一流的教育,否则自身的人才就有可能被国外的教育给吸引出去。实际上,国外的大学已经直接来中国招生,试图挖掘和吸引最优秀的中学生了。如何提升中国高等教育的吸引力,是摆在我们面前的一项难题。

2016年暑假,我作为导师,参加了在清华举行的RSI科学夏令营。这个项目是美国的CEE(Center for Excellence in Education)与清华合办的。CEE在美国与麻省理工学院合作办了很多年的RSI,通过一个半月的夏令营项目,从高中生中选拔出具有自然科学方面的科研创新潜力的人才,并推荐他们可以美国的一流名校念书。从2015年开始,清华大学与CEE合作办中国的RSI。这些入选的学生,将会上一个星期的前沿科学课程,然后在接下来的六周里面,加入清华大学的某个实验室从事科研训练。通过这种经历,可以增长学生的见识,并获得清华大学教授的推荐信,提升他们被美国一流大学录取的概率。

在夏令营期间,有两位高中生跟着我做科研。这两位学生基础和天分有差别,所以类似的研究题目,最终的成绩差很大。其中一位学生在短短的一个月内就做出了有趣的工作,具有非常好的数理科研天分。苏格拉底说过,教育不是灌输,是点燃火焰。我希望能提供更多的帮助,让他们在这短短一个月的科研训练的中能够有所收获,激励自己,找到自己的兴趣,发现自己的潜力。哪怕最终并没有太多进展,但是能在高中时做一些前沿的研究题目,本身就是非常难得的经历。

年轻人要迅速成长,最好能尽早从事有挑战性、需要创造力的工作,即使遇到困难,也不要轻言放弃。发挥创造力解决困难的过程,就是年轻人成长的过程。如果我们去看美国的科研领军人物的简历,会发现其中很多人在中学时就进了实验室,有了科研经历。比如说,Frank Wilczek,麻省理工学院物理系教授,诺贝尔物理奖获得者。50年前,他就参加过西屋青少年科学竞赛(现名为英特尔青少年科学竞赛),拿到了第四名,并去了芝加哥大学念书。22岁时,他就做出了让他获得诺贝尔奖的工作。最近风头正劲的麻省理工学院生物学教授张锋,11岁移民美国,高中时就进了当地某大学的实验室,1999年参加了在麻省理工学院举办的RSI训练营,2000年获得英特尔青少年科技竞赛的的第3名,并被哈佛大学录取。后来他在光遗传学和基因编辑工具CRISPR-Cas9等技术上都做出了杰出的贡献。

从上面可以看出,美国顶尖的科技人才,很多是通过这种针对青少年的选拔计划脱颖而出,得到重点支持,进而在年轻时就做出引领世界科技发展的研究的。中国也有类似的项目,比如说中科大的少年班,北京八中的天才班等。但受限于中国整体的科教实力和发展水平,这方面的探索多年来只能限制在很小的范围内。

近年来,随着中国整体实力的增强,很多高中的教学科研条件也让人刮目相看。跟我做研究的高中生,他们学校就有量子密码的教学实验仪器,供他们学习和钻研。在来清华参加RSI夏令营之前,他对量子信息相关的背景知识,以及一些基本的实验和理论都有了初步的了解,因此才能在短期内在课题上取得很大的进展。据我所知中国能为学生提供探索性研究平台的中学越来越多。比如说人大附中这样的顶级中学,最近招收的老师,都是清华、北大,乃至海归的博士。张捷兄曾与我们讨论过这个现象,他认为只有经过了一流的科学研究训练,才可能给中学生们提供高水平的研究和探索类课程,培养出更高水平的人才。如果以后中国的中学里都能有前沿的设备和高水平的教师,与大学的教育无缝连接,培养出来的学生前途将不可限量。

科研,只有第一么?


“做科研,只有第一,第二没有意义“,是前些年丁肇中提出来的。当年我听到这个观念时是比较认同的。但是最近,我有些不同意见了。今天看到了一则新闻,上面的标题是“科学研究只有第一”。对此,我有些不吐不快了!科学研究当然要争当第一,可如果只有第一的话,那么也就无所谓科学界了,剩下的人都淘汰了吧!
做科研,自然要有敢为人先的精神头。本质上,所有靠谱的科研成果,都是某个子方向的第一名。只要有所创新,就可以声称是“第一”。但我们不能仅仅数第一、第二来评价科研成果。如果记者来问我的科研目标,我会这么说:做科研,我的目标不是当第一,这个层次太低了!我们应该去定义新的科研课题,或者说“赛道”,然后吸引别人上去“跑步”做研究,让他们去争第一。至于谁是第一,谁是第二,得看我们这些定义赛道的裁判怎么评判了!

不同的科研,存在很不同的价值标准。比如说,应用技术的研究,不能说竞争对手做出来的技术和产品,你就不去做。华为当年就是不断追赶,总当第二甚至第三。但是它做出的产品,在品质一致时,比领先者要便宜很多,后期服务也很到位,最终打败了第一。对于军工技术的研究来说,更是如此。战略级别的军事技术比如两弹一星,作为世界大国,我们必须要研发出来,掌握在自己手里。也许只有基础的理科研究中,大家通常只记住第一,而忘记了第二。
实际上,在基础科研领域,通常是一群人处于第一集团,相互竞争与合作把这个领域给做出来的。一个蓬勃发展的研究领域,在某一段时间内,会有一些人不断去扩张这个领域的边界,去给同行们提供新的赛道,为他们提供争第一的机会。这期间,哪有什么第一呢?人人都是第一。请问,是谁发明了量子力学?从历史上看,我们找不到这个人,我们能找到一群一流的物理学家:波尔,海森堡,薛定谔,狄拉克,波恩,等等。在量子力学的发展中,他们谁是第一,谁又是第二呢?

科学的发展是非常复杂的,很多时候,无所谓第一第二,我们都只是在探索未知而已。因为科学历史的复杂性,有时真正“第一个”做出发现的人,却没有得到应有的认可。研究的英文是“research”,也就是不断的探索。也许你的运气好或者眼光高,探索的方向靠谱,很快就找到了金矿,那么你的研究成果就留下来了。那些探索了半天没有挖到金矿的工作就没有价值么?不知道,也许未来又会重新发现它们的价值。如果只看重第一,那么大家就都会选择都去探索现成的大金矿。因为只要跑到金矿里面,随便挖个坑,找到了黄金,就可以声称自己是第一个发现这个坑的。我们要尊重和鼓励那些探索失败者,没有他们的失败,也就没有幸运儿的成功。

论文的价值如何体现?


从开始做科研的那天起,我们就开始学习写论文。论文是我们科研结果的总结,是与同行交流的媒介。于是,慢慢的围绕着论文也出现了一系列的指标来度量其价值。

  • 论文发表的刊物档次决定了论文的档次。这大体是不错的。所以能够在一流的学术刊物上发表论文意味着作者水平高,在评奖,升职称等方面都是重要筹码。
  • 论文发表后的引用次数越高,表明影响力越大,意味着论文越重要。这也是一个客观指标。要是一个物理学者有十篇论文的引用都超过一百次,那他应该是个大牛人了。
  • 论文发表后媒体是否报道了,如果能够引起主流媒体的关注,那么也是价值所在。

实际上,对论文最清楚的是作者自己。即使论文没有发表在一流的刊物,没有多少人引用,也没有媒体报道,但只要作者自己相信它的价值,不断的宣传,还是有发光的那天。

2009年,我发表了两篇有关光力学的论文,那也是我首次在这个领域做工作。论文发表后不久,我认识了正在做相关实验的J博士。我向他极力推销我的工作,他也很有兴趣。可他的实验是在美国交换的时候做的,国内没有条件做不了,只好搁置起来。我后来的研究兴趣也转向了光力学的其他方向。

后来他毕业了去南京工作,从零开始慢慢搭建实验平台,我也与他保持联系。经过四年的时间,他终于把所有的平台与工艺都建好了,我们可以合作做实验了。正在这时,我们听闻有一个基金项目,打算支持光力学实验。于是赶紧合作写申请书,由他们组的首席教授领衔申请。申请书交上去之后,J博士在相关的实验上又发表了一篇nature子刊的论文。凭借这些积累,我们顺利通过最终答辩,拿到基金。最近他告诉我,实验进展顺利,马上就要开始验证我论文中研究的模型。基金到位后,会升级实验平台,争取做得更好。

2009年我发表论文时,博士还没有毕业,只是光力学领域的新丁,J博士跟我情况类似。这两篇论文后来引用一般,似乎被很多人忽视了。这几年我们分别积累实验和理论资源,以此论文为蓝本申请基金,终于能够开展实质性合作了。这样看来,这两篇论文对我价值很大。只是要发挥其作用,需要耐心、坚持和专注。

从悬浮的青蛙到石墨烯


上一篇文章中我提到了石墨烯。它的发现者是英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们的轶事是很值得写写的。

安德烈. 海姆应该是世界上第一个同时获得过诺贝尔物理学奖和搞笑诺贝尔物理学奖的学者。他获搞笑诺贝尔物理奖的工作是磁悬浮青蛙,1998年拿奖。我查过那篇获奖论文,发表后影响力也很大,引用超过200次了。这个磁悬浮青蛙的工作,当时实在找不到什么用处,但是极为有趣。现在,在我看来,这种技术也许可以帮我们实现生命体的薛定谔猫态,直接验证薛定谔猫的理想实验。

他 们的实验室周五通常用来做海阔天空的实验和闲聊,很多新的点子就是这么来的。石墨烯这个项目本来是教授安德烈·海姆交给他手下的一位中国留学生去做,可他 做了几个月,得到的石墨的厚度仍旧在微米量级,距离单层石墨太遥远了。中国学生要打退堂鼓了。这时他们组里的博士后康斯坦丁·诺沃肖洛夫在某个周五的闲聊 中知道了这个事情,突发奇想,要用胶带纸来撕开石墨片层,最终也许可以得到单层石墨烯。最终他们就是用这样一个很山寨的点子,制备出了世界上第一个二维的 晶体物质。

他们虽然做出了这么好的工作,但是之后几年经费仍旧不容易拿,新加坡国立大学一度要挖走康斯坦丁·诺沃肖洛夫去他们那里建研究石 墨烯的中心,给他副教授的头衔。但就在这时,他们拿到了诺贝尔物理奖,于是经费什么都不愁了,新加坡国立大学自然也就不可能仅仅靠一个副教授的职位招聘到 诺贝尔奖获得者。

嫦娥三号登月上了白酒广告


最近一个重大的科技新闻是嫦娥三号登月计划了,据说现在已经下降到了近月15公里,远月点100公里的转移轨道上了。再有三四天,嫦娥三号就要登月了。而一则白酒广告,也打着嫦娥三号登月的名义,出现在电视上:“我们中国人为什么要去月球?因为38万公里,不是很远。”这种广告上电视,真是让人感慨不已。尤其是我一岁半的儿子正是牙牙学语的时候,天天看到这样的广告,简直是潜移默化的告诉他,月亮不远,长大后一定要去玩玩啊,最好带上一瓶白酒,就当是郊游了。

我们这一代小时候,看到的小灵通漫游未来的漫画和铁壁阿童木的动画。心目中的未来那是明媚灿烂,光辉万丈。到了我儿子这代,登月已经与白酒联系起来,成为生活中习以为常的事件了。按照这句广告词的逻辑延伸下去,火星也不算远啊,火星大冲时不过六千万公里。我们既然可以发射探测器去月球,为什么不去火星呢?到我儿子这代长大时应该可以让航天员上月球,那么为什么接着去火星了?毕竟直径只有一万二千公里的地球太小了,太局促了。有这么广阔宇宙等待着我们去探索,却留在地球上坐等资源枯竭,太不可思议了。

我们中国人为什么要去火星,为什么要探索太阳系?因为我们错过了航海大时代,不能错过航天探索的大时代;因为太阳系真的不大,火星距离我们不算远,中国人不上去喝白酒,也许哪天美国人就上去喝威士忌了。

时空隐身斗篷


(首发于“果壳网”)

当风靡全球的电影“哈利•波特”中魔法师的隐身斗篷头一次出现在电影荧幕时,人们还以为这是魔法和幻想。可如今随着超颖材料(metamateria)技术的发展,这已经不再是幻想了。人们已经可以在微波波段设计出隐身斗篷,使得电磁波从障碍物旁绕过去,达到隐身的效果。随着纳米技术的发展,制造出能够在光波波段工作的三维隐身斗篷也不再是幻想了。对电磁波隐身的斗篷工作原理如图所示。

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如图,光波沿着平行于x轴的方向传播,在0点处有一个隐身斗篷。当光传播到0点附近时,其传播路径发生的弯曲,贴着斗篷的表面传播。当光远离斗篷时,又恢复为平面波。这样在远处的观察者就根本无法发觉原点处的隐身斗篷以及其中我们要隐藏的物体。

我们知道时间与空间是相关联的。既然我们可以制造出隐身斗篷把空间上某点隐身起来,那么是不是也可以制造出一个时空隐身斗篷,用于隐藏发生在特定时空点上的事件呢[1]?如果可以那真是太酷了!想象一下,这是任何推理小说和特工电影都没有呈现过的景象:在一个受到严密监控的密室中,找到一种办法把某个将要发生的事件屏蔽起来,使它不被监视器记录。这就相当于偷偷地进入那个密室,打开监视器,清除相关内容,然后关门离开,这样在监视器中就像是什么也没有发生一样。只不过一个是事前屏蔽,一个是事后消除。

这听起来就像是科幻小说一样,可实际上用同样的超颖材料技术,从原理上来说,不是不可能实现。科学家们把它称之为“时空隐身斗篷”,或者说是“历史编辑器”。最近的一个实验也从原理上验证了时空隐身斗篷的可行性[2]。其基本的原理其实很简单。与传统的空间隐身斗篷不同,时空隐身斗篷并不弯曲光纤在空间中的轨迹,它利用的是超颖材料来控制光,制造出暂时的时间空白点来隐藏某个发生了的事件。具体来说,我们可以把探测的光分为波前领头部分,它被加速了,于是在事件发生前就跑过去了;还有波尾部分,它被减速了,在事件发生后才通过那个区域。最终把波前和波尾合并起来,就抹去了时空隐身斗篷存在的痕迹。在一个远处的观察者看来,任何在时空斗篷存在时间内存在的事物信息都被抹掉了。换句话说,对那个特定的时空点,我们创造了一个隐身斗篷,其中任何能量、信息和物质的痕迹都无法被观察到。我们也可以用下图来描述这个过程。

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上图,光在时空中传播,横坐标是x,纵坐标是时间轴ct,c为真空中的光速。当光达到x=0和ct=0附近时,就发生了时空上的弯曲,绕过了原点。换句话说,发生在时空原点附近的事件被这个时空斗篷隐藏起来了,扭曲了我们所观测到的物理现实。

目前的实验只能实现一个空间维度加上一个时间维度的时空隐身斗篷,未来也许可以实现三维空间+一维事件的隐身斗篷,这说不定将打开科幻的新领域。设想一下,有一天这种时空隐身斗篷隐藏在我们周围,那么依赖眼睛来观察世界的我们,所看到的将不再是原来世界,而是被扭曲和编辑过的世界。又或者说宇宙中本身就存在类似的这种时空隐身斗篷,扭曲了天文学家所看到的天幕,让我们看到的都是假象(像不像“三体”系列里的智子干的事呢)。目前的时空隐身斗篷只抹去了光所携带的事件信息,所以还可以用其他媒介手段来消除隐身斗篷的影响。可我们也不能否认存在其他类型的隐身斗篷,把引力波,中微子等诸多媒介所携带的信息都抹掉。实际上,我们自己已经做出了声波的隐身斗篷,未来有一天也许可以用于抵御海啸[3]

参考文献:
[1] A spacetime cloak, or a history editor,Martin W McCall et al, 2011 J. Opt. 13 024003, http://iopscience.iop.org/2040-8986/13/2/024003/
[2] Demonstration of temporal cloaking,Moti Fridman et al. http://arxiv.org/abs/1107.2062
[3] Broadband Acoustic Cloak for Ultrasound Waves, Shu Zhang, Chunguang Xia, Nicholas Fang, Phys. Rev. Lett. 106, 024301 (2011), http://arxiv.org/abs/1009.3310

记忆电阻与迷宫图


最近发现一个很有趣的发明:记忆电阻(memristor)。这个元器件被认为是第四种基本的电子器件,排在电阻,电容和电感之后。这个器件最早是由加州伯克利大学蔡少棠(Leon O. Chua)预言了其存在性。在忆阻器中,磁通量(ΦB)受到累积的电荷(q)所影响,磁通量按电荷的改变率称之为“忆阻值”,物理上它的定义很简单 M(q)=\frac{d\Phi_B}{d q}. 这里可以与其他几种电子元件做一下对比: R(I) = \frac{dV}{dI}  L(I)=\frac{d \Phi_B}{dI}  \frac{1}{C(q)}= \frac{dV}{dq}.很容易得出,忆阻器的电压V是与电流I及忆阻值的积有关: V= M(q(t)) I.可见忆阻值具有电阻的单位,但其大小会随着电荷的积累而改变。蔡教授的预言直到2008年才被实验证实,惠普实验室的科学家真的制备出了忆阻器。

当时人们似乎并不清楚这个玩意有什么用,只知道它非常酷。当然,蔡教授也有一些初步的猜想,比如这个器件在神经网络中应该有一些应用。最近,有科学家提出用这个元器件可以非常迅速的来解迷宫图。解题的办法很简单,只要把忆阻器连接起来做成一个二维的阵列,其中有开关控制其连接与否。我们可以把迷宫的拓扑结构映射到忆阻器二维阵列上来。初始时所有的忆阻器都处于高电平,然后我们在起点和终点的忆阻器之间通上恒定的电压,经过很短的时间之后,系统就会稳定下来,这时从起点到终点的路线上所有的忆阻器都会跳到低电平上形成一个通路。实际上在稳定的过程中,系统的所有忆阻器都参与了计算,这是一个并行计算的过程。如果迷宫图有多个解,那么最短的路径就对应着电阻最小的解。更详细的说明,可以见Physics arXiv Blog

最后再说一点八卦。最近很火的虎妈蔡美儿(Amy Chua)就是蔡少棠的女儿。她写了一本《虎妈战歌》记录了自己教育女儿的严厉方式,引发了中美之间教育对比的热烈争议。她在书中声称这些严厉的规定都是她小时候父母曾经要求过她的。