沈志勋：知识认知是创新的本源

斯坦福大学物理系教授沈志勋

　　由清华大学、东润公益基金会主办的东润创新与未来教育论坛于2016年12月18日在北京举行，此次论坛的主题是“科学创新改变未来”。斯坦福大学物理系教授沈志勋出席并演讲。他表示，光的量子认知依然是现在发电平台创新的源泉，从基础科学到新材料、新能源，从照明到娱乐，从光通讯到量子通讯和量子信息产生，从激光制造，光的医学，从成像到虚拟世界，以及微观世界的实时电影的拍摄，这都是非常值得期待的领域，在创新的环境里同样要强调知识认知的动力性，因为它真的是新的、主要的、根本的来源。

　　以下为演讲实录：

　　非常感谢东升董事长和东润公益基金会给我这个机会，我今天想就光这件事情谈一谈关于认知和创新之间的关系，这个题目就是《光》，光是人类感知世界的重要窗口，我们感知非常重要，但是人对光的本质的认识，确实有一个非常漫长的曲折的过程，其实在非常久远的时候有很多很多想法，光到底是什么，但光作为一门科学，法学科学家和英国科学家牛顿，他们认为光是直线传播，所以就有了今天所谓的牛顿光学和几何光学，把光当做粒子来看。这种观点非常长的时间150年以后，做了一个实验，我把光传到两根线两端，如果光是直线传播，就跟牛顿说的那样，后面就是一个情况，如果光本身是波的话就可以绕过去，在后面可以看出一条一条条纹，确实看到了。这时候我们说光是光波。

　　再往前走，半个世纪英国MAX方程，这样的方程下面用电磁学的传播速度和测光速在那个时候基本上是完全一样，所以就说实际上光是电磁波的一种。这个基本上大家认为光的本性有了结果，但是又过了一百多年，就是到了上个世纪初，做了一个实验叫光电效应，在这个效应的实验当中，测试了光子和光强和电子能量的关系，他发现光强和电子能量是没有关系，电子能量和光的长度没有关系，这是没有办法用光的波率解释，所以对光又有了新的认识。

　　在1905年在爱因斯坦发表著名的狭义相对论的同一年，他也发表了一篇文章就是光的光电效应，在爱因斯坦提出来说光实际上是一个粒子，带有粒子的可能性，这个工作是爱因斯坦工作当中非常有争议的工作，可以看看这是1913年也就是说爱因斯坦提出光的粒子论的八年以后普朗克，可以说他是发现了和提醒了爱因斯坦，他担心光的粒子说影响爱因斯坦的声誉，爱因斯坦有可能选不上特科学院院士，他说爱因斯坦对很多问题都作出杰出贡献，有一些失误是会被厌恶的，严谨的科学中提出一个概念也是有风险的。普朗克可是量子力学之父，最后实验证明爱因斯坦是对的，实际上我们现在知道光是有波和粒子的双向性。所以在实际上爱因斯坦对光的认识，提高了一个更高的高度来看他的粒子性。所以在1921年，皇家科学院颁发给爱因斯坦奖的时候，以他在光电效应原理的发现，获得这个奖。

　　所以这个光电效应提出来光的量子概念，同样的在十年以后，差不多的时间就是爱因斯坦发表广义相对论，广义相对论是1915年，这是1917年，爱因斯坦又提出激光原理这个解释，他提出来一个所谓受击激光这样一个概念。这两个认知光的粒子性和量子性，和光受击效应为后来奠定了基础，创新是认知的源泉，这是非常重要的，在科学教育当中，基础科学、基础研究是非常非常重要的。我们可以看在爱因斯坦认知的基础上人类走了非常多的一步，在认知上做创新，我们知道光的量子改变了人类生活从光的通讯，今天我们在网络的时代，在一个信息的时代，如果没有光现代化，我们很难想象我们生活是有多么不一样。我想今天有一天，我们也有可能成为我们量子通讯和量子信息一个非常有可能的这样一个载体之一。

　　那么光的量子认知也改变了我们对能源、清洁能源的考虑，如果没有光的量子理论，不会有太阳能这样的概念。将来有一天我们能实现剧变的话，激光是非常非常重要的。当然激光制造也是一个非常重要的现代工业的基础领域，还有就是激光医疗，有很多事情在做，包括这次的工作都是建立在对光的认知的基础上。

　　这里讲的是激光医疗，那么激光也改变了我们生活质量，包括照明、娱乐，很难想象如果没有这样一个光的这样一个场景，没有一个现代光学的场景。刚刚也提过有可能我们将来可以有一个非常广泛的应用，关于在虚拟世界的应用。在本世纪非常有可能是第一次有人类可以登上火星，也许到了那一天有可能在全球有很多很多人可以通过虚拟的办法，来同步体验人类走向宇宙的那一步，这些都是改变生活的方面。

　　那么今天再回过头来讲，刚刚讲的都是光的应用，光可以成为非常重要的实验手段，比如说现在的光电可能是物理学、化学不可缺少的研究平台，那么有一个例子，现在的光电的铺垫是量子材料认知的主要来源之一，这里就举一些例子，比如光的电子能谱对电子向谱的认知是一个重要的来源，所以光电效应又回过头来看成为我们认知世界的一个源泉。我想说的是今天可以真正立足光电效应和现代激光技术，真正做到把一个微光世界原子和电子拍下来，这是同步的实现了这样一个空间精度和时间精度，这样就可以看到这个原子和电子之间的互动，这是第一次可以有这样的精度来拍这样的电影，因为我们真正达到了微观世界时间和空间。那么提高的话可以把一些微观世界细节的东西拍下来，这对了解微观世界是有帮助的。

　　我们知道电影对展示人性有非常重要的功能，我们今天真正可以开始在微观世界上也同样用这样的形式拍下来，了解他的细节，那我想我们对微观世界的认知将来就可以做一些应用，这也是现代科学的一个非常非常大的进步，看到这样的精度，实验的精度。

　　最后我想总结一下，刚才讲的就是我们讲很多创新，创新跟认知实际上是连在一起的，认知是创新的基础，所以爱因斯坦光电效应将人类对光的认识提高到一个崭新的高度，为量子论的建立提高一个重要的基础。也为现代光学尤其为激光发明奠定理论基础。可以说信息时代跟量子的认知是有很大影响。

　　所以我想说的就是光的量子认知依然是现在发电平台创新的源泉，从基础科学到新材料、新能源，从照明到娱乐，从光通讯到量子通讯和量子信息产生，从激光制造，光的医学，从成像到虚拟世界，我们开始拍摄微观世界的实时电影，这是非常值得期待的领域，我真正想强调的就是说在我们一个创新的环境里面，同样强调知识认知的动力性，因为它真的是新的、主要的、根本的来源。

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