中科院院士褚君浩畅谈如何攻破世界级物理难题|每日快报
我叫褚君浩，在科技界、教育界长期工作，也是经过了从小学、初中、高中、大学、研究生、到出国留学、到回到我们国家自己的实验室做科学研究的过程。我的科学研究工作主要是围绕着半导体、红外光电子方面。
从近的方面来说，这次疫情期间，用的测温仪。你把手放在那个测温仪下面，没有接触到，就可以测量一下，知道你的温度。从高端说来，我们最近有台风，气象报告非常准。为什么当地气象报告非常准？就是因为，我们有风云卫星在天上。风云卫星上面，有红外照相机，它白天可以看风云，夜里也可以看风云，把风云的行踪及其好多物理参数，都测量得非常准确。所以气象报告非常准，知道台风什么时候要来，在哪里登陆，登陆以后的路径是怎么样。那么这些事情里面，都有核心的方面，有材料科学、器件、芯片技术，还有光学工程、还有好多应用。
(资料图片仅供参考)
我现在就是在这样一个领域里做研究工作，也培养学生，也参加我们国家的一些科技方面的活动，或者是咨询的项目、思想库的工作。尤其是培养青年学生。所以最近阶段，也经常和同学们交流。同学们都感兴趣的问题是：“你作为一个科学家，你是怎么样成为一个科学家？怎么样走上这条道路的？”那么这个问题也使得我，对自己过去的发展，也做了一些回顾。
其实我小时候功课不好，我现在还保留一张我小学毕业的时候的毕业证书、一个成绩单。我小学是在华东师范大学附小毕业的，因为我的父亲是华东师范大学的老师。我毕业的时候，成绩单大多数是四分。但是自然很好，自然是五分。前几年有一次，我到华东师范大学附属小学跟小朋友们面对面。我当时念小学的校长，现在已经九十多岁，他还很健康，也很激动，从家里面就写了一封信，他还记得我这个调皮的学生。他说，褚君浩小时候是爱玩，爱动手，爱动脑，爱交朋友，那么现在就是做科学研究很好，很有成就，也做好多科普，希望小朋友们能向我学习。
我小时候身体很好。记得六年级的时候，有一个上海市的青少年运动会，我就参加了一个六十米的短跑的比赛，当时我是普陀区的第二名，有一枚银质奖章，这个奖章现在还在我家里放着。所以我那个时候功课不好，但是还是很活跃的。我记得小时候，我的父亲跟我讲日食、月食，什么道理有日食现象，什么道理有月食现象，跟我讲这个道理。所以我从小那个时候，对天文学有点兴趣。我记得小学五年级的时候，我还拿了两个透镜，用个硬纸板做一个筒，前面放一个，后面放一个，两个之间把距离移动移动，也可以看月亮、看得很清楚，很有兴趣。
到了初中二年级以后，我突然对数学感兴趣了，我做了好多数学的题目。男孩初二可能开窍了，就很用功了。我初三的时候转了一个学校，转到徐汇中学去了。徐汇中学的班主任老师叫王书哲，他跟我说，很欢迎我到这个学校来。他在这个班级里面，跟同学们说。其实我那天不在班级里面，因为还没正式进去，王书哲老师就跟同学们说，我们班就要转来一个很好的学生，功课怎怎么好，各方面怎么好。同学们告诉我，他们说王老师在班级里面表扬你，告诉我了以后，我非常开心，心里面像受到非常大的激励。所以我从初三开始，就变成一个非常好的学生了，各方面都开始变得很好。
这里我也有一个体会，就是老师对学生、家长对小孩、自己对同事，反过来也是这样子，表扬为主，要看到成绩。表扬为主以后，被表扬的一方，内部的积极性、或者说所谓的正能量，就会发挥出来。所以我初三以后、就非常用功，很主动地学习。我记得小时候，父亲、母亲也会说，什么时候叫你做功课是反过来，是叫你不要做工作、不要看书了，要你休息休息。
初中三年级开始，我就到达了这样一个境界，经常非常努力地看书，做一些题，把老师教的课程学好。而且学好了以后，还有好多时间。所以我初三、高中，看好多科普的书籍，包括这个《宇宙物质》《光线的科学》《从近代物理学的观念看宇宙》等等；还看了好多传记，包括《居里夫人传》《科学家奋斗史话》等等；也看一些教材，大学里的教材。比如我记得那时候看天文学，我也喜欢天文学，看《原子物理学》，还看《分子物理学》，还做了一些笔记。当然那个时候因为是中学生，里面好多深奥的道理也看不懂，但是有兴趣，培养了这个兴趣。
所以我记得在中学里面，高中一年级的时候，有一个活动叫“大搞科技活动”，我就做过一个吸尘器。这个吸尘器用在图书馆。我们徐汇中学图书馆，图书馆的书放在那里，边上会有好多灰，书一本本放在那里，我就让这个吸尘器的头能够伸到这个里面去转，转了以后把书的侧面的、上面的灰都要去掉。当然很粗糙，但是也很开动脑筋。
那个时候，一方面是思考一些问题，一方面是努力好好学习。这两个方面我觉得我都是做了好多工作，努力学习好，是学习里面的一些规律，把它们之间的联系建立起来。比如物理学，有运动学、有动力学、动能关系、能量守恒定律、能量转换，把里面这些规律、互相之间公式推导，通过这样的推导培养了兴趣。做题目的时候找到规律，怎么把题目能够做得又快又好。一道题目做好了以后，又想想有没有其他的办法，这条路可以走，我不是这条路，换一条路能不能走。那么通过这样的训练以后，对物理学、对科学知识里面的这种规律，就掌握得很好，而且感到很有趣，就是在学习里面，培养了对学习的、工作的兴趣。
我经常主动地去思考一些问题。记得当时几何作图，当然按照它的条件来作图，我当时想了一个办法，后来知道这个方法跟大学里面学的解析几何有点关系，不是自己凭空地去想象怎么做，而是有一种确定的方法。我就当时还写了本笔记，这个笔记我现在还保留在那里。数学上面我还记得我去证明一个事实定理，这个事实定理就是，一个地图里面你去发现的话，只要有四种颜色就够了，它就能够得到相邻两个国家之间的颜色不一样。那么这是个数学问题，我当时也写了五六页的文章，想投到《数学通报》去，但给退回来了。因为中学生要证明这个问题还是难的，据说这个问题到现在，还是一个没有完全解决的问题。但最近听说，北大教授要解决这个问题，在国际上正式宣布要解决这个问题，那么说明我那个时候也是很动脑筋的。
另外，还在思考一些自然界的现象。比如，我记得有些书里面在说我们整个世界里面充满一种物质，叫以太，以就是所以的以，太就是太阳的太。以太就是一种无所不在的、充满宇宙世界的这样一种物质。那么，到底这个以太，是跟我们地球连在一起的，地球运动，以太也跟着运动，带了一起走；还是像我们轮船在海里面航行，海在那里、河在那里、湖在那里，轮船是穿过湖水走过去，完全不带着走，就是穿过这个里面走过去；还是我这个地球走的时候，部分地带动了这个以太？当时我也说这个问题，我记得我还写了个笔记，好像高中二年级写了个笔记，从那个打乒乓球削球原理的联想。打乒乓球削球，一削球这个球就转了，那么从这个球转过去以后，它一面在转动、一面在移动，它带动多少空气层，来考虑这个乒乓球的质量、运动的速度、偏转的角度、跟空气的关系，看看它有什么关系。
当时，从这个联想到我们地球、太阳在宇宙空间中运动的时候，会跟以太会有什么关系，到底是带动的、还是穿过去的，还是部分带动的，所以这个就要动脑筋。当时就看了好多书，就是对物理学的兴趣，就从那个时候开始了。一个是感到，科学知识内在有关系，同时又感到，物理学、宇宙的好多奥秘，要我们人类去发现。我看了好多书，所以中学时，就开始对物理学感兴趣。
大学毕业以后，我当中学老师。一方面把书教得很好，经常开公开课。我做中学老师的时候，记得我找了个手扶拖拉机手，请他把拖拉机开到学校里面，然后针对这个手扶拖拉机，来讲物理学。因为这个手扶拖拉机，它开动的时候是运动学，里面的把柄有静力学、杠杆原理在里头。那么开动起来，它又与动力学有关系，跟摩擦力也有关系，又有内燃机在里头，跟热学又有关系，所以也是很开动脑筋。我记得当时也开了好多公开课。
我当时的特点是做一行爱一行，所以当中学老师的时候，我记得中学的物理书，叫作《工业基础知识》，那个时候去参加上海市工业基础知识的教材编写组。我记得在这个教材编写组里边有（原）华东师范大学的校长张瑞琨教授、（原）上海市的教委副主任张民生老师。所以当时我教书教得很好，但同时还是课余的时间做研究，做这个理论物理方面的研究。我记得跟复旦大学的老师、一些中学老师一起专门讨论基本粒子，在当时是有个基本粒子谜。我记得当中学老师的时候，还跟张民生、朱维一起发表过关于基本粒子的论文。那么同时在中学当老师的时候，还写过一些科普的文章、科普的书，比如，《能量》是1976年我出版的书，上海人民教育出版社出版；还在当时《文汇报》《解放日报》，写过好多科普的文章。因为当时学习自然辩证法，那写了好多有关科学史、科学方面的有关的一些小文章，譬如蒸汽机的发明、万有引力的发现、九天之上、九地之下，然后写过关于公害等等的一些书。所以那个时候，也就是非常钻研科学技术。
当时的这个思想，为什么到了研究院也这么做呢？这是因为，中学阶段打好了基础，这个基础是什么基础呢，是思想的基础，就是想当一个科学家，想做科学研究，想探索宇宙的奥秘，想来研究一些问题。那么能够这样想的原因也就是因为自己受到科普书籍的影响，从小时候看《科学大众》，后来看科普的书籍，看科学家的传记，也受到当时国家的发展的一些影响，也有一种励志的感觉。
我记得当时看过一本书，它说中国人在科学上面，是绝对不会有什么成就的。我看了这本书，在我的笔记上面就把它抄下来了，后面发表自己的感想。这样的说法是很没有道理的，中国在近代科学技术落后，是因为受到三座大山的压迫，那么我们一定要奋发图强，要争这口气。这个就是励志。所以中学时候，当时就是有一种励志的感觉。
在大学念书的时候，我记得我当时在系里的宣传部，要出黑板报。我记得当时就写过一篇黑板报，文章的名字就叫做《勤奋加智慧等于力量》，标题就是这个标题，我署名叫坦牛。人家问我了，你这个坦牛什么意思？我说就是在平坦的大道上，像牛一样勤奋地工作，那么心里面怎么想呢：爱因斯坦、牛顿。用这个作为别名，所以心里面还是想当个科学家。在大学里面就有这样一个思想，一直带到大学毕业以后工作的阶段，一直是这样子的。我记得那个时候，经常到上海图书馆，看科技的文献，把这个文字抄下来，翻译成中文，再仔细地看。那个时候是搞一种显微照片，这种小小的照片，拍照拍下来了以后冲出来，再把它翻成中文，来仔细研究，很用功、很刻苦。
到了1978年，我记得这个科学的春天，我考研究生了。当时有一个大学同学的父亲，叫严东生先生，是中国科学院的副院长，他知道我很用功，他就推荐说：褚君浩，你可以到科学院来考研究生。所以我当时就想考研究生。那么考研究生，其实我喜欢的是理论物理，但是理论物理，上海只有复旦大学有理论物理。高校考研究生晚半年，中科院是早半年，所以我提早半年就考到中科院，正好严先生帮我写推荐，就考这个研究生了。
考到中国科学院上海技术研究所，那么考这个研究生，其中有一门很重要的课，叫半导体物理，我大学里面没学过。大学里面没学过，怎么办呢？我就自修这本书，写笔记、推导里面的公式。我一考，居然考了90分，第二名。所以这里面我有一个感想，就是一定在大学里面念书的时候，包括在中学里面念书的时候，要把基础打得很好，这个基础打得很好以后，你就具备了学习新知识的本领。这个本领是非常重要的，知识是有限的，本领是无限的。
因为大学里面是普通物理学得很好，理论物理学得很好，当时力学、热学、电力学、理论力学、电动力学、热力学统计、物理量子力学，四大力学都学得很好，基础打得很好，所以我看这个半导体物理的书，自己推导就很容易掌握了，就有这个本领，随意考考90分。所以这一点，也就是我们青少年的朋友们，不管你现在是小学、中学、大学，一定要把基础知识学好，一定要培养自己具有学习新知识的本领。
后来，我研究生就跟（着）汤定元先生。汤定元先生跟严东生先生一样，都是一解放的时候从美国回来了，他们很爱中国、回到中国。汤定元先生在上个世纪70年代的时候，他就看中一种材料，叫碲镉汞窄禁带半导体，用这个材料做红外探测器非常好。实际上全世界发明这个材料是1959年，到70年代也就十几年的时间，而且也不知道它到底是不是最好的做红外探测器的材料。
另外，还有其他的候选材料，当时做红外探测器最好的，是用锗这个材料里面掺上汞，锗掺汞材料，做红外探测器。这个材料做红外探测器的话，有个缺点，需要在液氢下工作，液氢下面工作有危险。我记得上海技术物理研究所还出现过一件事情，液氢爆炸的事情，所以这之后，大家都在寻找。上个世纪60年代的时候，还是锗掺汞这种深低温、液氢温度下面工作，要找温度高一点工作的探测器。77度K的是液氮的温度，我们空气里面4/5是氮，如果把空气里面的氮，把它从气体变成液体，它的温度就是77度K，零下200度左右，在这个温度下面可以工作的器件，它的条件比较容易掌握，77度K也比较容易掌握。
到底什么材料好？碲镉汞？当时并不知道，但汤定元先生就一直在技术物理研究所开展这方面的研究工作。我1978年考研究生，就跟汤定元先生做这个材料的研究，做他的物理的研究、材料的研究。现在证明这个材料是最好的红外探测器的材料。所以到现在为止我们的风云卫星、我们的导弹预警、我们所有的最尖端的红外设备仪器，都是这种材料——碲镉汞红外探测器。
我记得汤定元先生，当时叫我解决一个疑难的问题。他说把这个碲镉汞材料，把它的本征吸收光谱做出来。汤定元先生叫我直接做这个本征跃迁，是个世界难题。我当时想想，外国人做不出来，我们能做得出来啊？但是后来想想，要勇于承担这个任务。
做这个事情很难，尤其是这个样品很贵，像指甲这么大的样品，如果到外国去买的话，一千美金一片。好在技术物理研究所有三个小组都在生产这个样品，他们都愿意把样品给我，我做了测量跟他们讨论怎么改进这个样品的质量。所以这里面有一个非常重要的问题，就是合作精神。合作精神是科学研究里面，非常重要的一个方面，我就是跟他们合作，所以就能够有大量的样品来做研究，最后把这个本征技术就做出来。结果到现在，也是国际上最好的。当时论文发表了以后，收到好多明信片，他们就是来问我要发表文章的单行本。你把工作做了好了以后国际上面就很重视。
我们把本征吸收光谱做出来以后，得到的禁带宽度的公式，最能够反映它的物理意义。这个禁带宽度部分，主峰跟温度的关系式，国际上面把它称为CXT公式。C就是褚君浩的拼音的第一个字母；X是第二位作者姓徐，徐的第一个字母；第三个T，就是汤定元的第一个字母。这个公式，他们用在红外探测器的设计。如何来设计红外探测器，在什么温度下工作，什么主峰，它的禁带宽度是多少，而这个禁带宽度跟红外响应，是密切相关的。
作为一个基本的常数，汤定元先生这个方向，给我指得很好，而且我的切入点很好。所以后来以这个为切入点，发现了禁带宽度跟主峰温度的关系式的表达式，而且又得到了本征吸收系数的一个表达式，后面得出了一系列的规律：本征载流子浓度、有效质量、能带参数，得到了这些规律以后，又派用处，又建了一些模型，建了一些方法，来指导材料期间的生长。所以当时我觉得是跟汤定元先生做博士以及博士以后延续下去的一个工作的方面。当然后来的工作又更宽泛了。
所以切入点要好，深入下去得到一系列结果，而且得到了结果以后，你要想办法能够派用处；而且发现了一些问题以后，一个问题解决以后，相关的问题要相应地解决。所以有的时候面对媒体，我跟他们举个例子，就像掘井一样，先是掘一个井，你要把井里面水掘到；你掘到一半、你就不掘了，不做下去了，半途而废。所以由井做好了以后，你可以由井，一点、到线、到面，到一个小的领域。所以实际上所有做研究，都是围绕光电现象，从窄禁带半导体开始，到这个能带结构光电性质，到器件应用，然后在各种相邻的红外探测器。我们国家的红外技术，也跟我们这一代科学家一起同步发展。现在我们的学生做的，还有一些领先的工作，我们那个时候做的好多工作，跟跑的比较多，外国人怎么做我们也做，或者外国人这方面做得不够，我们能够超过一些。
一个人的成长，人才的成长、成果的发展，都是随着我们学科的发展、科学技术的发展、跟国家需求的发展紧密地结合在一起。我们现在这个卫星、风云卫星，一开始我就举这个例子，这个气象预报怎么准，就是由于我们有红外探测器。那么现在红外技术，它的应用面非常宽，尤其是国防安全、国计民生、工业、农业，许多方面都在应用。我们平时普通的应用、高端的应用，都有好多。比如火星上面、月亮上面、月亮的背面，都有我们技术物理研究所做的那种相机。
红外成像仪放在上面，它有什么用处呢？就在月亮的表面，收集它的光谱：红外光谱、可见光光谱，来分析这个月亮的表面的矿物、土壤，是什么成分；在月亮的背面，现在我们的月球车，也在月亮的背面，也在做这个事情，要收集月亮背面的光谱；那么收集的光谱，包括可见光、包括红外光，波段很宽，就能够找到光谱的特征，跟数据库里面去比对，就知道它背面到底是什么，是什么成分，这件事情还是蛮有趣的。所以我们高端的应用非常多。
科学技术的发展，需要灵敏的探测器，波段要宽、要灵敏、要看得清、看得准、看得要快，所以我们现在一方面完成科研任务，发现自然界的奥秘，解决我们的一些需求，完成国家的需求，另一方面也发表好多文章，人才也在不断地培养。
年轻的人才需要年长一点的人才带动。那么青少年们也是要从小打好基础，尤其是要培养对科学的兴趣。你从小对科学有兴趣，就会慢慢地变成我要学，而不是要我学。如果是老师要你学，家长要你学，你是学不好的。等到哪一天是你要学，你要主动地去学习，那么你的转折点就到了。
那么怎么会有“我要学”呢？那就要培养兴趣，你对某一门科学技术特别有兴趣，你就会多看这方面的书。家长们也要鼓励子女，培养兴趣。他喜欢历史，就让他多看历史；他喜欢地理，就让他多学地理；他喜欢数学，就让他多钻研数学。一方面、我们基本的功课，当然都要能够完成好，同时，他特别有兴趣的方面，要培养他、发展他，要让他看一些课外的书籍。
做题目也要养成方法，现在我们同学做题目，我就发现他们一天到晚做题，做好了以后没体会，就不从做题目里面吸取经验。做了题目了以后、一定要培养解题的经验、解题的方法，比如你做一百道题目，但是你不在做一百道题目里，去吸取经验，到第一百零一题目给你做，可能你也做不出来，这个就是不好的学习方法。好的学习方法，是注重经验掌握的这个方法。我做二十道题目，我就知道，做这个题目里面的关键在什么，它的知识点在什么、诀窍在哪里。做一道题目五分钟，我再花五分钟时间想一想，把经验总结出来。你掌握了方法，解题的能力也特别强。
说到这个能力的培养，我们是要培养学习新知识的能力、解决问题的能力。解决问题的能力是包括两类，一类是解题、也是解决问题。解题实际上是培养你解决问题的能力，那么你到实际过程中间去从事某些项目的研究，完成一个任务，大的任务、小的任务，那也是解决问题的能力。所以都要培养。
我们做科学研究，就是属于后一类的，不是解题、而是解决一个任务，这种能力培养好，对你将来的发展是非常重要。我们要鼓励我们的同学，能够在完成好，学校的规定的任务以外，再培养好自己对科学的兴趣，有了这样一个兴趣以后，再加上我们的一种责任感。有兴趣再加上你有责任感，你就一定能够把事情做好。
科学研究很有趣、也很有用。我们国家，现在非常需要青少年，将来能够为国家的科学事业去贡献自己的力量。因为现在社会发展、不断地发展，越来越多地依赖于科学技术的发展。科学技术的发展，需要不同的人才，它需要有些会动脑筋的，也要需要有些特别会动手的。我们要培养创新的能力，培养工匠的精神，都是很需要的。
作为经典导读，我也想向大家推荐一套丛书，名字就叫《科学起跑线》。它的对象就是高年级的小学生、初中生、高中生，当然大学生也可以看，家长也可以看。我们看科普书籍，就是要培养科学的方法、科学的精神，让你的智慧、灵魂得到升华，你对自然界的看法，对工作的态度，都会影响你的一生。
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