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未來(lái)的物理學(xué)

對沖基金界的明星人物戴維·哈丁不久前向劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗室捐贈了該實(shí)驗室有史以來(lái)獲得的最大一筆款項: 2千萬(wàn)英鎊(3千多萬(wàn)美元)。然而,究竟為什么會(huì )有人想要捐出如此龐大的一筆巨款呢,即便是他們錢(qián)多的沒(méi)處花?對哈丁而言,其中一個(gè)原因就是為了彌補他的公司從學(xué)術(shù)界“挖走”的那些物理學(xué)家們。他半開(kāi)玩笑地說(shuō):在他的公司——溫頓資本管理公司里,共有90多位擁有博士或其它更高學(xué)位的研究人員在此供職,橫跨從天體物理學(xué)到人工智能等各個(gè)領(lǐng)域。

哈丁本人曾在劍橋大學(xué)攻讀理論物理學(xué),他決定捐款的原因主要有兩個(gè)。首先,他希望能夠盡自己的一份力量使科學(xué)家們能夠 “自由地進(jìn)行探索”——使他們有能力進(jìn)行所謂的“純理論性思維”。其次,他認為有必要致力于深層次的科學(xué)研究,著(zhù)眼未來(lái)開(kāi)發(fā)一些低碳、對環(huán)境影響較小的技術(shù)。

三月份,溫頓可持續物理學(xué)項目啟動(dòng)。哈丁自嘲道,溫頓資本管理公司成功的秘訣在于將所有自己不擅長(cháng)的業(yè)務(wù)都外包出去。而這一次,他們是將“造福人類(lèi)的事業(yè)”給分包出去了??茖W(xué)就是為了成就全球經(jīng)濟的可持續化轉型。

此話(huà)不假。但是,為什么要格外注重物理學(xué)呢?哈丁解釋說(shuō):“這并不是簡(jiǎn)單地用物理來(lái)拯救世界,而是讓我們有機會(huì )利用比如說(shuō)量子物理學(xué)這樣的學(xué)科來(lái)研發(fā)各種具有突出特性的材料。這些材料的特點(diǎn)能夠幫助我們應對人類(lèi)給地球造成的愈加嚴重的影響?!?/p>

盡管哈丁沒(méi)有明說(shuō),但是,材料學(xué)研究在學(xué)術(shù)領(lǐng)域里一直都扮演著(zhù)灰姑娘的角色。雖然這門(mén)學(xué)科有著(zhù)巨大的潛力,能夠有朝一日煥發(fā)出與眾不同的光彩,但是卻常常被人冷落。

“到2100年,地球上的能源資源要么是太陽(yáng)能,要么是混合型能源,而最佳的交通和能源使用方式就是利用電能,” 卡文迪什實(shí)驗室主任彼得·李特爾伍德教授表示,“而能夠滿(mǎn)足這個(gè)新時(shí)代的需求,并且傳遍世界各個(gè)角落的技術(shù)是:太陽(yáng)能光伏、電力存儲、冷凍以及照明?!?/p>

卡文迪什實(shí)驗室物理學(xué)教授理查德·弗雷恩德爵士認為,該項目的主要目標就是“讓有機材料完成那些大自然并沒(méi)有賦予它們的使命?!痹趽挝锢韺W(xué)教授一職期間,他一直緊跟詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(電磁理論研究的先驅?zhuān)?、歐內斯特·盧瑟福(他推動(dòng)了核物理的前沿)和勞倫斯·布拉格(他在X射線(xiàn)結晶學(xué)領(lǐng)域的研究為揭開(kāi)DNA的雙螺旋結構奠定了基礎)等杰出科學(xué)家的腳步。最近,卡文迪什實(shí)驗室開(kāi)始致力于半導體、醫學(xué)物理學(xué)、納米技術(shù)、冷原子及超低溫物理學(xué)等新的研究領(lǐng)域。

如果盧瑟福教授聽(tīng)說(shuō)核裂變和核聚變研究將在很大程度上受到溫頓項目的冷遇的話(huà),那么他老人家在黃泉下可能都不會(huì )得到安寧。然而,不論是出于何種原因,鑒于近期日本福島發(fā)生的核事故,從政治角度而言,這么做都是合情合理的。由于管理不善及其造成的不可持續性的后果,作為該核電站經(jīng)營(yíng)者的東京電力已經(jīng)跟BP一樣成為人們的笑柄。

相反,當科研人員能夠在單個(gè)原子的層面上對材料進(jìn)行控制和處理,并且能夠創(chuàng )造出具有全新特性的新的化學(xué)結構和環(huán)境的時(shí)候,就有可能通過(guò)利用一些極端的溫度、壓力、磁場(chǎng)或電場(chǎng)等條件對材料特性進(jìn)行“微調”,從而尋找諸如超導現象這樣的突現特性。

 

該領(lǐng)域的最終目標就是找到能夠在室溫或接近室溫的條件下以驚人效率輸送電力的超導體。而目前還無(wú)法找到這種超導體。此外,還有一些其它的目標,如蓄電能力能夠和汽油相媲美的電池,能夠從環(huán)境中采取熱能的熱電系統等。

我們一行人參觀(guān)了實(shí)驗室的不同研究小組,并且與從事各個(gè)材料相關(guān)領(lǐng)域研究的科研人員進(jìn)行了交流。這些領(lǐng)域包括能夠涂在塑料上并使其具有太陽(yáng)能集熱功能的硅油墨,以及具有驚人特性的新型材料結構,該技術(shù)為發(fā)展3D存儲技術(shù)奠定了基礎,可以大大提高目前的存儲和處理能力。

當我詢(xún)問(wèn)其中一位卡文迪什的科研人員,為該項目貼上“可持續”的標簽究竟有何重要意義時(shí),他表示,不論貼的是什么標簽,他們所做的大多數工作都能夠不辱使命。但是,他們中有很多科學(xué)家對勢能、原料以及他們的研究為環(huán)境帶來(lái)的益處等方面都格外關(guān)注。

即便是世界頂尖的物理學(xué)家都承認,他們能夠從大自然、生物圈、生態(tài)系統中學(xué)到很多東西。正如他們所說(shuō)的那樣,生物學(xué)研究的是自然界獨一無(wú)二的納米系統,“從光合作用到細胞間的能量傳輸等各個(gè)方面都是靠納米機制來(lái)完成?!边@一領(lǐng)域的目標就是“從自然界汲取靈感,用自下而上的自組裝機構來(lái)代替如今的自上而下的架構?!?/p>

他們給我們展示了這樣一個(gè)例子,利用納米制造技術(shù)將蝴蝶翅膀上斑斕的色彩分毫不差地復制出來(lái),而復制品的大小僅有幾平方厘米。然而,從長(cháng)遠來(lái)看,該技術(shù)最大的挑戰就是能夠以低廉的成本生產(chǎn)出這些材料,并且還要能夠得到廣泛地使用。也就是說(shuō),這些納米級產(chǎn)品的產(chǎn)量應該能夠“數以噸計或者數以公頃計”。

我們常常會(huì )認為技術(shù)的發(fā)展需要花上數十年的時(shí)間。然而,對于卡文迪什實(shí)驗室而言,臨危受命進(jìn)行新技術(shù)的開(kāi)發(fā)并非什么新鮮事。例如,在第二次世界大戰期間,實(shí)驗室的許多研究人員就隱身于秘密防御設施里從事著(zhù)雷達等制勝技術(shù)的研究。

如今,但愿我們能夠擁有足夠的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)施卡文迪什實(shí)驗室的研究成果。而戴維?哈丁捐贈的款項能夠使更多的頂尖科學(xué)家繼續勤勤懇懇地從事科研工作,而不是受到高薪的誘惑而消失在其他領(lǐng)域。 

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