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2022-2023

杨学明院士的科学探索之路:从发现和发展自己的兴趣开始
发布时间:2023-12-05    1258   墨子沙龙

内容来自墨子沙龙活动“我的科学追求之路”(2023年11月11日)上的演讲。演讲嘉宾是中国科学院院士、南方科技大学副校长杨学明教授。

文字由王佳整理,经杨学明审核。


很高兴有此机会在中科大上海研究院做科普报告,与大家分享我的科学经历。每位科学家都有其独特的故事,而我的科学探索之路有一些曲折。我想和大家分享我的一些科研心得,以及一路上我都做了哪些事情,有哪些重要的转折点对我的科学之路起了重要影响。

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人类历史和科技革命

相较于宇宙历史而言,人类历史极其短暂。宇宙年龄138亿年,地球存在了约45亿年,而人类仅有大约200万年的历史。在这短暂的历史中,人类却取得了令人瞩目的成就,究其原因何在?

有一本很著名的书——《人类简史》,其中提到人类经历了三次重大革命:认知革命,农业革命,科技革命。我非常认同这一观点。在距今还不到十万年前,发生了认知革命,这是一次里程碑,人类变得“聪明”了。发生在大约1万年前的农业革命也很重要,它很好地解决了人类基本的生存问题。对于我们近现代的快速发展而言,发生在约500年前的科技革命发挥了至关重要的作用。

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科技革命对人类发展产生了非常重大的影响,相信今天的很多人都有深切的感受。过去的几十年里,世界的变化很大,尤其是我们国家。以前我们的眼界还很有限,现在认识的世界和我小时候认识的世界完全不一样了。从130多亿光年以外的宇宙天体,到微观的原子分子甚至更小的粒子,我们有了前所未有的了解。我们可以很方便地到达想去的任何地方,世界上发生的事情我们可以很迅捷地得知。社会发展至一个高度发达的水平,人类是这样了不起。

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现代科技推动人类社会发展

这一切是如何发生的呢?我认为,主要应归功于现代科技革命。现在我们整个世界观的形成都受益于现代科学的发展。科技革命也并非凭空而来,它源自古代数学、哲学以及自然哲学的演进,进而在近代科学方法论确立之后,科学获得蓬勃发展。虽然现代科学的发展时间不是很长,但就广度和深度来讲,作为一个从事科学研究的人,我感到非常惊奇。


科学发展的三大原动力

科学发展取得了许多重要的里程碑,我们对世界的认识从宏观简单的层面逐渐深入到复杂微观的层面。那么是什么推动了科学的发展?

我认为有几个极为重要的推动力。首先,在科学发展中,人们想要理解世界的好奇心以及所展现出的想象力占据着重要地位。其次,在整个科学发展过程中,实验技术和理论方法的不断发展也至关重要。这两者相辅相成,共同推动了科学知识的深化和拓展。第三,作为整个人类社会发展的一部分,科学的发展也受到社会和国家需求的推动。这三个动力交织在一起,共同推动着整个科学技术的不断进步。

以实验技术和理论方法的发展为例,我谈下我的想法。一方面,实验在科学发展中发挥着关键作用。虽然我们经常强调科学的内容和思想,但推动科学进展的不仅仅有思想,在很大程度上还取决于技术的发展。从古至今,实验技术的不断进步推动了我们对世界的认识。最早我们只能通过眼睛来认识周围的世界,后来有了望远镜、显微镜、光谱仪、质谱仪、核磁共振仪,以及更先进的望远镜等等工具和手段,这些新实验技术的出现使我们对宏观、微观世界有了更深入的理解。另一方面,重要的技术革命往往也是受科学突破推动的。科学理论与实验技术,两者相辅相成,我认为很难将他们完全分开,是两者一起推动了科技的进展。


我的科学之路

我本科毕业于浙江师范大学物理系,随后在大连化学物理研究所攻读硕士学位,师从朱清时和张存浩老师。后来,我前往美国,在加州大学圣芭芭拉分校跟随一位年轻教授攻读博士学位,随后在普林斯顿和伯克利进行了两期博士后研究。我认为自己走上科学道路的主要原因在于我遇到了一批极具水平的科学大师。这些老师的影响使我深感科学的魅力,激发了我一直以来想从事科研的决心。在我看来,这是我人生中最为重要的决定之一。

从中学到大学

我是浙江人,在中学时便对化学产生了浓厚的兴趣,这要归功于一位非常出色的化学老师。她对学生关怀备至,给我留下很深的印象。她当时可能只有三十多岁,比我现在年轻得多。我至今还常常去找她,告诉她当初中学时,我对学习化学充满渴望。

高考填报大学志愿时,我填了10个志愿,全部都是化学相关专业。然而,由于化学成绩不理想——只有85分,而那一年95分以上才能进入化学系,我最终未能进入理想的专业。我记得很清楚,我记错了元素周期表上的一个位置,因而在答题时犯了错。尽管如此,我对化学的兴趣没有改变。我在物理科目上表现出色,获得了95分,因此进入了浙江师范大学物理系。

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浙江师范大学,1978-1982年,杨学明在这里学习

在大学四年里,我们所接受的教学或许没有现在的高深,但我确实打下了坚实的基础,学到了如何用物理思维看待世界。此外,我在大学里培养了一个非常重要的技能——自学。由于浙江师范大学的师资有限,课程安排较为拥挤,我们在最后一个学期才学习量子力学,而这门课程对考研究生至关重要。于是,我提前一年找了老师,请求提前自学量子力学。老师答应了我的请求,他告诉我,如果我能自学并通过考试,就可以免修最后一个学期的量子力学。虽然这个过程并不轻松,但这一经历让我认识到了自学的重要性和自己的学习潜力。由于我准备得比较充分,最终很幸运地考上了大连化学物理研究所。

大连化学物理研究所

在大连化学物理研究所,我有幸遇到了两位颇负盛名的老师——朱清时和张存浩。从两位杰出老师那里,我学到了扎实的知识和为学之道,进入化学物理和物理化学领域。

大连化学物理研究所,1982-1985年,杨学明在这里学习

话说回来,当初我为何选择报考大连化学物理研究所呢?在考前浏览研究生招生简章时,我发现张存浩老师名下有一个名为“化学激光”的专业。大学里我学了物理,没有学习化学,但我一直对化学有极大兴趣,当看到化学激光这一专业时,我被这个方向深深吸引,这是化学和物理的交织领域,于是下定决心要考入这个专业。

我幸运的进入了大连化学物理研究所,遇到了影响我科研生涯的老师,尽管我最终未投身化学激光领域,而是进入了化学物理、物理化学的领域,特别是专注于分子光谱和分子结构的研究。

加州大学圣芭芭拉分校

随后,我在完成硕士学位后,迎来了中国改革开放的时代,于是,我选择前往美国。在美国,我有幸跟随了一位非常年轻但工作卓越的教授,他曾是李远哲先生的博士生,取得博士学位后来到加州大学圣芭芭拉分校任教,如今在德国马普所担任所长。这位教授就是Alec Wodtke。在美国度过的这几年,尤其是攻读博士学位的过程中,我对科学的兴趣更加深厚了。在这期间,我学到了独立工作和自主思考的能力,我体验到了做科研的乐趣,去解决一些尚未被解决的问题。我的成长离不开Alec Wodtke,他对科学的追求深刻影响了我。

加州大学圣芭芭拉分校,1986-1991年,杨学明在这里学习和研究

我那时研究的方向是分子在被激发到非常高的振动态后,观察能量如何转移,研究其中的机理。那时,我对HCN 同分异构反应产生了兴趣,这是一个看似简单但实际上非常有趣的问题。我向导师表达了我的兴趣,也得知了MIT的一位教授也在尝试这个实验。我导师那时还很年轻,他建议先等等看MIT团队能否成功。半年后,当我再次询问导师时,得知MIT团队还没有成功。于是,我们决定尝试。我们有比他们更好的激光,最终成功地完成了这个实验。

尽管这个实验在今天看来没那么重要,但在我们的小领域内,当时是一个重要的进展。这项工作对于我的导师获得终身教授职位起到了很大帮助。因此,我常常告诉学生,一个好的学生应该是能够push老师前进的。学生(特别是博士生)最重要的事情是真正思考问题、自己找寻问题。如果你能促使老师去做你自己想做的事情,那么你就可以顺利毕业。

普林斯顿,伯克利

博士学业完成后,我前往普林斯顿,专注于分子团簇的光谱研究,进行了大约一年半的博士后,发表了许多论文。然而,我却感到迷茫,在目前的研究工作中似乎没有我特别感兴趣的方向。我面临一个重要的决定:是否需要寻找新的突破方向?

普林斯顿,1991-1993年,杨学明在这里进行博士后研究

我前往加州大学伯克利分校,开始寻找新的机会。伯克利拥有当时最先进的光源,是第三代同步辐射光源中最亮的。在那里,一个全新的方向出现了——利用同步辐射光源研究化学动力学。这是李远哲先生提出的研究计划。我决定学习设计和建造科学仪器,因为我觉得沿着这条路,即使我在科学研究方面做得不够出色,我仍然可以成为一名优秀的仪器工程师。这个决定让我真正热爱上了科学仪器的研制工作。

伯克利,1993-1995年,杨学明在这里进行研究

在两年时间里,我从头设计研制出第一套交叉分子束仪器。这一工作的完成让李远哲先生认为在科学仪器方面我有能力做出高水平的工作。李先生的认可也促使我在台湾的原子与分子科学研究所开始真正进行自己的研究。

在以后的工作中,我更加意识到创新科学仪器对于科学发展的重要性,正如《论语》中所说“工欲善其事, 必先利其器”。科学仪器在国民经济高质量发展,以及重大基础科学创新中都扮演了极为重要的角色。根据美国商务部数据显示,科学仪器工业总产值虽然只占工业总产值的 4%,但对国民经济的影响达到 66%。在科研领域,科学仪器是科学创新的基础条件。据统计,截至 2017 年,诺贝尔奖自然科学获奖项目中,因发明科学仪器而直接获奖的项目占 11%,而且72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助尖端科学仪器来完成的。


交叉分子束仪器和方法的发展

科学仪器对化学研究至关重要,它使我们能够深入理解化学反应的细节和机制。在过去的几十年里,我有幸参与发展分子束仪器和方法,研究化学反应的细致过程。

早在1950年代,科学家就利用分子束来研究化学反应。这一领域起初是由实验驱动的,现在无论实验还是理论都已经发展到很高的水平。1986年的诺贝尔化学奖授予赫施巴赫、李远哲和波拉尼三位科学家,其中赫施巴赫和李远哲先生就是因为发展分子束方法、推动化学领域的进展而获奖的。

有人认为这一领域已经很成熟了,还能做出什么重要的创新发展呢?尽管如此,我对这一领域仍然充满兴趣,所以就一直继续做、往前走。是浓厚的兴趣,驱使我不断前行。到了1990年代,“柳暗花明又一村”,许多新的研究方法涌现出来,我积极参与了其中一些方法的发展。在伯克利进行博士后研究期间,我运用同步辐射研究化学反应,同一时期还出现了新的成像方法、氢原子探测技术。这三个方法的发展为基元化学反应和化学反应动力学的研究开辟了新的可能性。

我赶上了科学发展的新时期,有幸为科学仪器的创新做出了自己的贡献。自博士后开始,从伯克利到台湾再到大连,我陆续设计了8套不同类型的交叉分子束仪器,覆盖了4大类,对各种方法的优缺点我也有了深刻的理解。这些仪器将化学动力学研究从宏观推向微观,直至量子水平。在仪器的设计和研制中,我也体会到了巨大的愉悦,喜欢一件事情不是可以用语言简单描述的。

交叉分子束装置(Berkeley/Cornell,1995)


通用型交叉分子束装置(IAMS,1997)


高分辨交叉分子束仪器(IAMS/DICP,1999)


交叉分子束装置(NSRRC,2001)

高分辨交叉分子束装置(DICP,2005)


交叉分子束成像装置(DICP,2008)


交叉分子束高分辨成像装置(USTC,2017)


高分辨交叉分子束装置(DICP,2020)

基于创新的科学仪器,我们取得了一些重要的科学成果。例如,利用新研制的H原子里德堡态飞行时间谱—交叉分子束仪器获得了F+H2 → HF+H的全量子态分辨谱,观测到反应中的Feshbach共振;利用氢原子里德堡态飞行时间谱—交叉分子束仪器,发现F*+D2反应在低碰撞能下玻恩-奥本海默近似失效;在最简单化学反应氢原子加氢分子的同位素反应( H+HD → H2+D )中,发现了化学反应中新的量子干涉效应……研究工作两次入选“中国十大科技进展”,一次入选“中国十大科学进展”。


发展高性能激光

不仅科学仪器,我们还非常希望发展光源。我们已经成功地制造了一些性能独特或更先进的激光器,比如在中红外光学参量振荡器方面,我们制造的激光器在某些方面可以说是世界上最好的。这些激光器对我们的探测工作非常重要,激光技术在推动现代科学技术的发展中发挥着关键作用。

激光技术可以涵盖从红外到紫外的整个波段,我们致力于增强各个波长激光的强度。我认为目前的一个重要前沿方向是在极紫外和X射线波段。这些波段,例如13.5纳米和 193纳米波长的激光,对于现代工业尤其是光刻技术的发展至关重要。

尽管激光技术在极紫外和X射线波段的应用还面临一些挑战,但在过去20多年里自由电子激光等新激光技术的进展,为新一代高亮度极紫外和X射线波段的光源带来了新希望。

自从回国后,我就一直推动自由电子激光的研究。2017年,我们和上海应用物理研究所合作建成了国内第一个自由电子激光装置“大连相干光源”,这是二十多年来的一个梦想。大连相干光源也是世界唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置,处于国际领先水平。国内首个自由电子激光装置的建成对我们领域的发展有非常重要的推动作用。

大连相干光源在催化反应中自由基的高灵敏度探测、小分子光化学研究、水团簇结构研究、蛋白质分子极紫外光解离和光电离等领域已经取得了一系列重要研究成果。

大连,2017

我认为,自由电子激光技术的发展仍处于初步阶段,我们也在布局推动更高水平的自由电子激光技术。大连相干光源是低重复频率的,工作在极紫外波段,基于超导加速器技术的高重复频率自由电子激光装置是未来的重要方向。先进超导加速器技术可使自由电子激光平均亮度提升10,000倍。上海有一个重要的项目——硬X射线自由电子激光装置。深圳也在推动一个软X射线的计划。上海、深圳、大连,以及常规激光器,将覆盖整个波段。如果这些目标实现了,我想在5—10年以后,我们国家在自由电子激光领域应该能占有先机。


我国高重频自由电子激光的规划布局 


一些感触

我做科学仪器的经历中,有几点感想和大家分享。首先,科学仪器的设计和制造需要着重解决科学问题,如何寻找重要的科学问题非常关键。另外,科学仪器的创新性和独特性至关重要。在仪器设计中,注重创新和独特性可以为科学研究提供更有力的工具。还有,实验科学家应亲自参与仪器设计和研制,只有亲历了,才能真正明白什么才是最好的、最合适的。此外,我们还要高度关注研制过程和细节。

在我的学术生涯中,我还有几点认识:目标高远非常重要,要去追求世界独特和领先;发展自己独特的实验研究仪器和方法对取得科学发现至关重要;要善于提出和解决科学问题。

我还认为,兴趣在科学道路上扮演着至关重要的角色。从小学、中学到大学,再到成为科学家,个人的兴趣是除了自身能力之外最为重要的因素。没有浓厚的兴趣,在科学之路上是很难走下去的。当然,良好的科学基础同样至关重要,这是走得更远的保障。另外,在每个人的发展中,挫折是不可避免的,因此自信心的发展,以及是否具备超越常人的底气,对于在科学领域取得成绩也很重要。


杨学明,物理化学家,教授,中国科学院院士,现任南方科技大学副校长、讲席教授。

杨学明教授长期从事气相与表面化学反应机理和动力学研究,自行设计研制和发展了一系列具有国际领先水平的科学仪器, 并利用这些先进科学仪器在化学反应动力学领域取得了系列性的重要研究成果,他在化学反应量子过渡态以及共振态的系列性研究成果获得了国际学术界的高度关注。他主持研制成功我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,这是世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置。