中國半導體物理的兩位先驅 黃昆和謝希德
2019-06-17 04:12:23  來源:NET1640

2019年,我們將迎來黃昆先生的百年誕辰。

作為中國半導體事業的奠基人,黃昆先生用他人生最年富力強的26年,在高等教育戰線上為中國培養了一代甚至幾代半導體柯旭技術和研究方面的棟梁之才,使中國的半導體事業能從無到有,迅速發展壯大,跟上國際迅猛前進的步伐,站在世界的前列。

從“黃散射”到“黃方程”,從“黃—里斯因子”到“玻恩和黃”,以至“黃—朱模型”,黃昆先生士在固體物理學發展史上建樹了一塊塊豐碑,他的理論哺育了世界上幾代人的成長,他的著作《固體物理學》、《晶格動力學》等,被學者們像圣經一樣擺在書桌上。

中國半導體物理的兩位先驅 黃昆和謝希德

中國半導體物理的兩位先驅,黃昆和謝希德

從蒙養園到燕京大學

黃昆先生1919年9月2日出生于北京,父親當時是中國銀行高級職員,母親賀延祉,也在銀行工作。

黃昆先后在北京蒙養園、北京師大附小、上海光華小學上學,在上海光華小學五年級沒讀完,隨家搬遷回到了北京。

黃昆的伯父黃子通當時在燕京大學哲學系任教授,黃昆暫住在伯父家中,并插班就讀于燕京大學附中初中。黃昆治學一個重要特點,“從第一原理出發”,也就是在中學開始培養的。

黃昆自己認為,他中學時代反面教訓是,中學語文課沒有學好。就像大多數中學男生一樣,對于老師出的作文題,黃昆覺得,不是一句話就解答了,就是無話好說。

后來黃昆回顧自己生涯,認為其后果影響了自己一輩子。例如,1936年從潞河中學畢業,擬學工科。他報考過清華大學和北洋工學院,但都未被錄取,原因就是語文成績太差。

黃昆1941年北京燕京大學畢業時留影

中國半導體物理的兩位先驅 黃昆和謝希德

1937年,黃昆通過潞河中學向燕京大學的保送考試,進入燕京大學,并根據自己的優勢和興趣,選定物理為學習專業。

1941年秋,黃昆在獲得燕京大學學士學位后,經葛庭燧先生介紹,來到西南聯大任助教。從北京到昆明,黃昆路經青島、上海、香港、桂林、貴州,路上整整花了2個多月。系主任饒毓泰先生在第一次接見黃昆時對他說,這里人很多,根本不需要助教。你在這兒就是鉆研學問作研究。事實也確是如此。

黃昆的教學任務只是每周帶一次普通物理實驗。吳大猷讓他半做研究生,半做助教,這樣他可以得到一些收入。

由于張守廉的緣故,黃昆很快地結識了和張同班的楊振寧。他們三人學習思考風格迥異,但都是絕頂聰明的人。他們一起上吳大猷和其他先生的課,通過課后討論,他們彼此加深了人品學問的了解。

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黃昆在英國布列斯托大學做莫特教授的博士生

赴英求學 師從莫特

黃昆評價自己的研究有兩個高峰,其中作出最主要學術貢獻的第一個高峰,是在英國留學的6年中完成的。

1944年黃昆、楊振寧、張守廉西南聯大研究生畢業。黃昆被“庚子賠款”留英公費生錄取。

1945年10月,黃昆在英國布里斯托爾大學師從著名的理論物理學家、后來榮獲諾貝爾獎的莫特(N.F.Mott)教授,把自己的研究方向選定為固體物理學。

他也是第二次世界大戰結束后莫特招收的第一個博士生。因無序系統的電子結構而榮獲1977年諾貝爾物理獎的莫特,當時還是一位很年輕的教授,但已是國際上著名的固體物理學家。

可以說,師從莫特,是黃昆人生之路上的一個轉折點。莫特對黃昆學術風格的形成起了決定性的作用。

幾個月后,初出茅廬的黃昆就完成了題為《稀固溶體的X光漫散射》論文,大膽提出了關于雜質和缺陷X光的散射理論模型。

20年后,德國科學家在實驗室中證實了黃昆的理論預言,國際學術界隨即稱之為X光“黃散射”。

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20世紀40年代,黃昆在英國利物浦大學做博士后時與同事們合影

在完成博士論文后,1947年,黃昆到愛丁堡大學玻恩教授處工作,玻恩是量子力學的創始人,也是晶體原子運動系統理論的開創者。工作中,玻恩發現黃昆熟悉這門學科,且有深邃見解,便將完成用量子力學闡述晶格動力學理論的《晶格動力學》專著的重任交給了黃昆。

除了撰寫《晶格動力學》,這段時間黃昆還連續完成了兩項開拓性的學術貢獻。一項是提出著名的“黃方程”和“聲子極化激元”概念,另一項是與后來成為他妻子的里斯(A.Rhys,中文名李愛扶)共同提出的“黃-里斯理論”。他與妻子在1950年合寫的這篇論文,至今仍是在這個領域工作的科學家們必引的經典文獻。

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1955年,北京大學第一屆半導體方向畢業生和黃昆合影

中國第一個半導體物理專業

1951年底,黃昆先生懷著振興中華,報效祖國的殷切心情,放棄了個人科學生涯中獲得重大成就的機遇和國外的優越生活條件,滿腔熱誠地回道自己深愛的祖國,就任北京大學物理系教授,他認為,在中國培養一支科技隊伍的重要性,遠遠超過個人在學術上的成就。

1952年院系調整后,已在國際上享有盛譽的黃昆等人登上北大講臺,為大學一年級的學生開設普通物理課。

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1955年,北京大學第二屆半導體方向畢業生和黃昆合影

在北大任教期間,黃昆參與創建了中國第一個半導體物理專業,為中國信息產業培養了第一批人才,包括現在活躍在固體物理學科研和教學崗位上的甘子釗、秦國剛、夏建白等好幾位當選為中國科學院院士。在任教期間他還主持本科生教學體系的創建工作,并著有《固體物理學》以及與謝希德教授合著的《半導體物理學》。這兩部著作都以講解透徹、精辟著稱,一直是我國理工專業學生和科研人員必讀的著作。

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“五校聯合半導體專門化”1957年畢業生和黃昆合影

經過英國多年的在固體物理前沿領域的研究,黃昆當時屬于國際上的領頭科學家,他的水平無疑在國內固體物理領域首屈一指。他率先提出在北大開設“固體物理”課程及“半導體物理”課程。經過多年的反復實踐,從無到有,逐漸形成系統的專業物理課程。從事“兩彈一星”研究的許多科技人員都從這里走出,或者曾經聆聽過他的授課。

從那時起,在近30年的時間,黃昆只發表了一篇原創性的論文,他把它獻給了導師玻恩。

“物格無止境,理運有常時。”北京大學物理學院院內,銘刻著這樣一塊石碑,這里是黃昆工作和生活過20多年的地方。

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20世紀70年代,周恩來總理接見楊正寧時合影,后排左三為黃昆

鄧小平同志親自點名的半導體所所長

1977年秋天,是黃昆命運的又一個轉折點,他在中科院半導體所重新開始了科研工作。黃昆認為既然身在研究所,自己就必須在科研第一線工作。在研究所不做研究,情理難容。

黃昆想,科學家老了會掉隊大概有兩個原因,一是知識老化,特別是基礎理論和方法跟不上發展;二是由于地位,容易脫離第一線的具體工作以致自己原來的老本也會逐步忘記。他分析自己的情況,認為,要把幾十年基礎理論的發展認真地補上,恐怕是做不到的。

但是,研究中斷了近30年,這30年國內外科技發展日新月異,自己年齡已近60,研究怎樣才能做得起來呢?他拿定主意,堅持自己動手做第一線的具體工作,做自己能做的事。

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1984年,黃昆在美國舊金山出席國際半導體物理會議

黃昆在國際物理界沉寂近30年后,又重新活躍起來。他開始了他研究生涯中第二個活躍時期:1980—1990年。正如國際著名固體物理學家,德國馬克斯普朗克協會固體物理研究所前所長卡多納(M.Cardona)描述黃昆,“他好比現代的鳳凰涅磐,從灰燼中飛起又成為世界領頭的固體物理學家”。

在黃昆所長的主持下,針對國際上在多聲子無輻射躍遷理論中出現的疑難問題重新開展了研究,“黃-朱模型”就是那個時代的代表性成果。半導體所建成了我國半導體超晶格國家重點實驗室,開創了我國在材料科學和固體物理學中嶄新領域的研究工作,這一新興領域目前已經在世界上占據一席之地。

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黃昆在中國科學院半導體研究所給研究生講課

黃昆的治學之道

黃昆研究教學60載,形成了自己鮮明的治學風格。黃昆先后師從吳大猷、莫特、波恩三位大師,其中莫特對他的影響最大。他有選擇地吸取了三位大師的治學之道,在60載的研究教學中,形成了自己獨特而鮮明的治學風格。

黃昆把自己的一生科學研究經歷歸結為:一是要學習知識,二是要創造知識。對做科學研究工作的人來講,歸根結底在于創造知識。而學習知識與創造知識,黃昆從自己的切身經歷和觀察別人的經驗教訓,歸納出兩句名言:

“學習知識不是越多越好,越深越好,而是要服從于應用,要與自己駕馭知識的能力相匹配。”

“對于創造知識,就是要在科研工作中有所作為,真正做出點有價值的研究成果。為此,要做到三個‘善于’,即要善于發現和提出問題,尤其是要提出在科學上有意義的問題;要善于提出模型或方法去解決問題,因為只提出問題而不去解決問題,所提問題就失去實際意義;還要善于作出最重要、最有意義的結論。”

這兩句名言確實是黃昆的經驗之談,我們應當作座右銘而牢記。

就學習知識而言,黃昆從中學到博士畢業,都在主動地學習。不僅上課,而且看文獻聽報告,黃昆都十分注重主動性。任何新的東西,都必須經過他的“免疫系統”。只有被他的“免疫系統”識別,并在他自己的知識體系中重新定位以后,新的知識才被黃昆接受,變為他自己能駕馭的知識,否則,他一概排除。

黃昆每研究一個問題,都喜歡“從第一原理出發”,即先不看已有文獻,而是獨立地從最基本的概念開始思考。黃昆覺得這樣思路才能不受他人的束縛,研究才有主動性。正是這種“從第一原理出發”的治學風格,使黃昆的研究工作往往具有學術上的開創性與重要性。

嚴謹是黃昆治學上又一特點。對于自己所研究問題的每一環節,黃昆都要反復推敲,有時經過“否定之否定”的n次方,才得到一個正確的結論。黃昆常說,他的十個想法中有九個靠不住,為此他總是仔細推敲。黃昆不贊成用過于煩瑣的數學方法來研究物理問題,然而在需要數學推導及計算時,他又十分仔細,反復多遍地來回檢驗。

通常他寧可把事情想得更復雜一些,多做幾手準備,而不相信“天上掉餡餅”。黃昆在學術上對自己的論著力求完美。他覺得意思不大的一些著作往往被他自己束之高閣。他強調,研究工作不能安于修修補補,以數量取勝,而是要真正在科學上解決問題。他主張,每篇論文都要實實在在地解決一個或幾個物理問題,這樣才有價值。他非常不贊成有的人文章發表了許多篇,卻沒有真正解決一個問題。

中國半導體物理的兩位先驅 黃昆和謝希德

1995年12月26日,黃昆為研究生做“做人之道與治學之道-黃昆教授與研究生談成才”報告

做一個低調的人

黃昆在科學上的成就受到了國際學術界的高度評價,也得到祖國和人民的承認。1955年,年僅36歲的黃昆就當選為中國科學院學部委員,是當時所有委員中最年輕的一名。改革開放以來,黃昆當選為瑞典皇家科學院外藉院士(1980年)、第三世界科學院院士(1985年)、國際純粹物理和應用物理協會(IUPAP)半導體委員會委員(1985—1988年)。

但是,在生活上,黃昆是一個極其低調的人。雖然他早就在國際物理學界“大名鼎鼎”,卻一直“怕見記者”;他的夫人李愛扶則學會了“黃昆是黃昆,我是我,他的問題請不要來問我”這一招來對付媒體。

2001年,國家授予黃昆最高科學技術獎。在中國科學院提名黃昆的時候,他就寫信反對。后來經組織上做工作,他采取不反對也不支持的態度,甚至連組織材料和答辯都一概不參加。他覺得這個獎勵太大了,承受不起。

這個獎勵給了老先生更大的壓力。其實在1980年代中期開始,他就經常頭暈。后來做了核磁共振,發現有腦萎縮。但是黃先生的原創性研究一直持續到1996年,這很不容易。

獲得最高科學技術獎的500萬元獎金,規定其中50萬元用于個人獎勵,另外450萬元用于科研。獲獎時,黃先生的病情其實已很重,感到自己在科研上已經力不從心,便把這筆錢交給當時的半導體所所長鄭厚植院士支配,但這筆錢一直沒有動用。

2005年7月6日16時18分,黃昆在北京逝世,享年86歲。

中國半導體物理的兩位先驅 黃昆和謝希德

2006年2月15日,北京大學物理學院黃昆先生銅像落成儀式

一代宗師

黃昆選擇在他科學研究的黃金時間(當時30歲出頭)回國,對他后來在學術上更上一個臺階影響很大。他在英國做博士后的一些同事,有幾位當時的研究并不如他,但后來都獲得了諾貝爾獎。他覺得自己選擇回來這條路沒有走錯,他說回國后全力以赴從事教學工作,在北京大學建立了我國自己的普通物理、固體物理和半導體物理三門課程的教學體系,培養了大批的人,這個遠遠比個人取得學術上的成就更有意義。

“他是一個偉大的人。”德國馬普學會物理研究所前所長卡爾多納如是評價。北京大學物理學院張樹霖教授說,黃先生去世后,他給卡爾多納發了封電子郵件,結果回信只有一句 “He is a greatman”。

“他是我們的老師,”微電子學家、清華大學李志堅院士動情地說 “黃昆先生做人、做科研求真務實,他那實事求是的精神、創新的思維和嚴謹的學風都值得我們學習。”雖然沒有直接聽過黃昆院士的課,但很多像李院士這樣的大家,也尊敬地稱“黃昆是我們的老師”。

“他覺得,如果自己不深入思考一個具體的科學問題,如果不親自動手算點東西,腦筋就開動不起來,很難做出什么有創新性的成果,也根本無法看清學科的發展趨勢。他無法想象,自己看看文獻,出席一些學術會議,就能把握科研的大方向。”“黃朱模型”的創立人之一朱邦芬院士非常理解自己的合作者。

“那天,我拿著科技部蓋了章的批準文件給他看,他很高興。”鄭厚植表示,迄今為止,國家最高獎獲得者拿450萬元獎金做基金設獎的幾乎沒有,“這樣影響更大、更深遠,已經確定了章程、理事會和評選委員會,因為黃先生突然病重和去世,稍微停了一下,但還是會繼續做,希望將來能夠做得更有意義。”“也許,這就是對黃先生最好的紀念之一。”鄭厚植院士說。

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