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华中科技大学新闻网于2009年8月2日发布消息,该校45岁校友、现在世界名校——美国麻省理工学院机械工程系任教的华裔教授陈刚,首次打破被公认为物体间热辐射基本法则的“黑体辐射定律”。该研究报告已在《纳米快报》8月号杂志网络版上发表。而麻省理工学院已于当地时间7月29日在其官方新闻网站上宣布该消息。“黑体辐射定律”由德国物理学家马克斯•普朗克于1900年创建,是描述物体间热传导的基本法则,为解决经典力学无法解决的一些问题,普朗克在提出这一定律时把电磁波量子化。受其启发,爱因斯坦后来提出了光的波粒二象性。因此,可以说该定律为现代物理学打开了大门。普朗克本人曾于1905年表示,在物体距离与波长处于同一量级时,该定律可能并不适用,科学界也一直怀疑此定律在物体极度接近时并不成立。由于很难保证两个物体在极度接近时不发生接触,通过实验证实这一定律在微距下的局限性也非常困难。
陈刚领导的研究小组利用二氧化硅制成的小球和平板取得了突破。在他们设计的实验中,小球与平板即便接触,也只有一个接触点,从这一点开始将小球与平板分开,可以利用原子力显微镜的悬臂梁测算出二者在不同距离下的辐射。“测试这种微距下的辐射也比较有意思。”陈刚说。原子力显微镜的悬臂梁有两层,一层是金属,另一层是氮化硅薄膜。即使温度变化轻微,二者的热膨胀和所产生的应力也不一样,悬臂梁就会偏转,此时利用激光测试偏转的角度,便可测算出辐射的大小。“这是非常灵敏的测热方法,也非常新颖。”测算结果显示,物体微距情况下的辐射可以达到普朗克公式预测结果的1000倍。目前,陈刚的研究小组可以在实验中做到精确测量30纳米距离的辐射。陈刚表示,他们将进一步改进实验条件,力争做到可以精确测量物体在1-2纳米距离的辐射,他相信届时测量结果会更令人惊喜。麻省理工学院表示,陈刚团队证实了科学家所预言但无法实证的理论,获得了国际间同领域学者喝彩。长期从事这一领域研究的英国帝国理工学院教授约翰•彭德里爵士说,这项研究成果“令人激动”,因为微距下测定物体温度非常困难,而“陈刚教授的实验完美地解决了这一难题”。陈刚的本科和硕士时期的同学、曾在麻省理工学院做了3年访问学者的华中科大环境科学与工程学院王劲柏副院长向记者介绍:“‘黑体辐射定律’是该领域最经典的定律之一,陈刚教授在多年前就曾怀疑该定律在接近纳米距离时的适用性,如今他和他的学生通过实验证实了怀疑。”王劲柏介绍,该发现不但让人们对基本物理有进一步了解,其应用也涉及光热光电、半导体、磁储存等领域,如改良计算机数据储存用的硬盘的“记录头”等,相信在其他领域的重要作用也会逐步显现。
陈刚于1964年6月20日出生在南漳县城关镇。小时候的陈刚就特别聪明,3岁就开始学习汉字,上小学时,就已经能认200多个字了。陈刚1980年考入华中理工大学动力系热能动力专业,1984年获学士学位;1987年获工程热物理专业硕士学位,毕业后留校任教。1989年获王宽诚教育基金资助,赴美国加州大学伯克利分校留学,师从著名华裔科学家田长霖教授攻读博士学位,1993年获得博士学位。之后,曾任杜克大学机械工程与材料科学系助理教授(1993-1997年),加州大学洛杉矶分校机械与航空工程系副教授(1997-2000年),2001年加入美国麻省理工学院机械工程系出任正教授。目前,他担任美国机械工程师协会纳米研究所顾问委员会主席,并担任多个国际权威期刊编委,在纳米热发电、制冷材料和太阳能发电材料方面获得美国多项专利。陈刚教授获得过多个奖项,包括美国自然科学基金青年科学家奖(1994年),美国机械工程师学会传热杂志杰出评审奖(1997年),2002年被选为GUGGENHEIM基金会的会员(Fellow)。现任美国机械工程师学会传热杂志(ASME JOURNAL OF HEAT TRANSFER)副主编,美国传热年鉴(ANNUAL REVIEW OF HEAT TRANSFER)主编,材料工程A(MATERIAL ENGINEERING A)特邀主编,即将出版的《计算机与理论纳米科学》编委。
陈刚教授表示,在美国科学界有很多华人科学家,以美国麻省理工学院为例,几乎每个系都有中国教授。而在对于中国的科研水平,美国佐治亚理工学院的2007年“高科技指数”得出了一个惊人结论:中国科技水平已经是世界第一;中国科技总体实力也已超过德国、日本,很快就能超出美国。佐治亚理工学院(Georgia Tech)是美国三大理工学院之一。从20世纪80年代中开始,它就经常推出一个世界“高技术指数”(High Tech Indicators,HTI)。当初的目的是研究与预测:谁将是下一个日本。那时正是日本经济光芒万丈的时候。然而,日本无论在经济上还是科技上,追到美国身后之后,就开始“休息”了,摆出一副永远不可能再进一步夺取冠军的姿态来。佐治亚学院的这个指数每年在那里更新着,直到它忽然发现了一个“日本”,等到它发现这个“日本”的时候,同时发现这个新“日本”甚至已经局部超越了美国,从总体上,也是50-60年来第一次有了美国与别人竞争、并随时可能落后的局面。这个新“日本”自然就是中国了。这个由国家科技基金出资开展的调研项目的撰写者之一尼尔斯。纽曼说:“将近一个世纪来,我们第一次看到了既驾驭基础研究领域,又具有吸取科研成果、在科研基础上创造和营销产品的经济能力的领导者,而且是在这个星球上不止一个地方。”着眼美国,这位纽曼感慨万端,“二战以来,美国一直是全球经济的主要驾驭者。我们现在却面对这么一个形势:不是在这里研究开发和展开营销的技术产品在市场上出现,我们跟这些产品毫无关系,甚至不知道它们会到来。”这个指数由6个领域构成:投入(Input),国家方针(National Orientation),社会经济基础设施(Socioeconomic Infrastructure),科技基础设施(Technological Infrastructure),生产能力(Productive Capacity),科技水平(Technological Standing)。佐治亚理工学院对33个国家进行比较,综合统计数字和专家看法给各个国家打分。佐治亚理工学院相应文章的标题就叫“调研显示中国是世界科技领袖”。不少英语媒体转载、报导,用的是相应的提法。这是因为,从科技的角度看,最重要的指数“科技水平”方面,中国高居第一。2007年这个指数方面,中国得分为82.8,美国落到了76.1。德国第3,为66.8,日本第4,为66.0。而在11年前的1996年,中国这方面的得分还只有22.5,而美国得分91.4。在科技水平这个方面,所谓“金砖四国”中的另外三国根本无法跟中国相比:2007年,巴西的得分是17.6分;印度的得分是20.7;俄罗斯是15.8。而东亚的韩国(44.4)、新加坡(43.4)、台湾(34.5)和马来西亚(32.2)则都相当不错。同为这个项目撰写人的佐治亚理工学院政治与评价中心主任阿兰•坡特(Alan Porter)说:“中国真的在科技方面改变了世界经济风光。”“假如您看到,中国既展开低成本大规模加工,又聚焦于科技,然后在强调研究和发展的基础上把它们结合起来,那么结果将是:给其他国家留下的空间就没有多少了。”纽曼指出:“我们在我们测算的所有领域都看到中国的持续增长。与任何其他国家相比,我们没有看到中国在上升过程中出现过任何停顿。这种增长是戏剧性的。”
在“科技水平”这个领域内,技术产品的出口是一个关键因素。最近,中国这方面的出口额已仅次于美国。纽曼说,很快中国在这方面就会超出美国成为冠军。在培养和引进科技人才方面,美国近年来一直停顿不前。报告指出,9-11后,美国给移民设置了一系列障碍,更妨碍了美国科技人才群的扩大。纽曼说:“科学家和工程师,中国现在拥有的还不到我们的一半,但它有很大的增长空间。对美国来说,很难在这个领域改善很多,而对我们来说,情况变坏却是很容易的。然而对中国人来说,变好是很容易的,因为他们有更大的操作空间。”坡特认为,中国正在向研究与发展的全面的领袖方向行进。他举例说,中国现在在关于纳米技术的出版物的数量上已经是世界第1,尽管美国的出版物被引用、转载的比例比中国大。
除了“科技水平”这个领域,其他5个领域内中国还是落后于美国,所以应该用理性的态度看待中国科技指数。
在“投入”领域,中国虽然属于“第一梯队”,但仅排名第8,以67.2分落后于美国(88.7)、日本(75.7)、德国(70.0)、英国(69.5)、瑞典(68.1)以色列和加拿大(都是67.3)。“金砖四国”中,巴西47.1,印度56.8,俄罗斯55.2。但中国在1993年时还只有45.1分,增长速度是最快的。
在“国家方针”领域,高居首位的是爱尔兰(83.4),美国排在第4(78.0),中国(62.6)甚至排在最后排:第24位。而1996年时中国这方面得分还比现在高(65.2),2005年时更曾达到74.3分。德国是72.8分,日本是75.7分。巴西是55.1分,印度是64.6分,俄罗斯57.5分。
在“社会经济基础设施”领域,美国以87.9分高居第1,中国更差,在33个国家里倒数第7(61.2),但中国在1993年时只有46.4分,此后一路往上走来。德国得69.3分,日本得71.2分,都不是很靠前。巴西50.3,印度55.1,俄罗斯65.4。
在“技术基础设施”领域,中国相当不错。美国以95.5分遥遥领先于其他国家,日本以68.8居第2,德国以63.0居第3,中国以60.0居第4。在1993年时,中国这个领域得分只有38.6,此后一路往上走。
在“生产能力”领域,中国又是非常出色:以85.2分仅次于美国(93.4)和日本(87.2)居第3。1993年时,中国这个领域的得分只有33.2分。德国以74.8分居第4,巴西为46.5分,印度63.1,俄罗斯49.9。
首先,中国科技先(经济)一步进入与美国竞争阶段已经成为事实。西方十多年来对中国的注意力主要放在了经济发展上。据德国之声记者观察,惊呼中国在科技方面也在超越西方的呼声其实是最近一年来,尤其是最近几个月来才有的新现象,或者说,现在此间的人们忽然变得敏感起来了,呼声一下子集中了。但说中国已经成为世界第一科技大国、“世界科技领袖”的,恐怕还是这个美国佐治亚理工学院。“科技水平”指数,包括许多方面,如高科技产品的出口、发表的论文等。但是,现在就说中国是世界科技第一大国,似乎有点过早。众所周知,中国跟美国等西方国家还是有差距的,有的差距还很大;如高科技产品,还有个定义问题(手机、笔记本电脑等通常也被视为高科技产品)。但是,数字毕竟不会是完全凭空产生的。总体上,中国科技力量的突飞猛进,已经到了跟美国竞争的地步,这应该是事实。而且在这方面,中国的科技地位进步已经走到了经济地位进步的前面。在经济上,中国毕竟还在跟德国争第3个位置,而在科技上中国已经在争夺第1了。只是科技上何时真能成为第1,恐怕不可能象经济上那么透明。许多方面也只能靠这些不太可靠的数字,有些方面甚至只能凭感觉。其次,这些指数也表明,中国整体上突飞猛进,但进展很不平衡。刚看到一篇文章的标题里说“中国经济处在成长期的烦恼中”,觉得很有意思。确实有这么一种味道。如一个人一下子窜高了,还来不及长“胖”,有的部位发育成熟了,有的部位刚开始发育。这六个领域的指数就有这个模式:“科技水平”达到世界第一了,在“社会经济基础设施”领域却还非常落后。
世界科学技术正在发生新的重大突破,如何推进中国的科技进步和创新,发挥科学技术第一生产力的重大作用,为中国经济和社会发展不断提供强大的推动力量,使中国在未来激烈的国际竞争中获得新的更大的发展,是我们必须认真思考的重大课题。在20世纪里,科学技术取得了前所未有的进展,推动人类社会经济文化生活发生了深刻的变化。在这100年中,中国发生了历史性的巨变。新中国成立后特别是改革开放以来,我们党和国家高度重视科技事业,广大科技工作者艰苦奋斗,顽强拼搏,勇攀高峰,创造了“两弹一星”等一个又一个举世瞩目的科技奇迹,在许多重要领域取得了大量科技成果,有力地推动了中国的经济建设和社会发展。中国这100年的历程,说明了一个深刻的道理:一个国家的科技事业与这个国家的命运是紧密相关的,科学家的事业与自己祖国和民族的命运是联系在一起的;只有在实现国家独立、安全、稳定的前提下科技事业才能不断发展,只有献身于祖国和人民事业的科学家才能大有作为。
陈刚领导的研究小组利用二氧化硅制成的小球和平板取得了突破。在他们设计的实验中,小球与平板即便接触,也只有一个接触点,从这一点开始将小球与平板分开,可以利用原子力显微镜的悬臂梁测算出二者在不同距离下的辐射。“测试这种微距下的辐射也比较有意思。”陈刚说。原子力显微镜的悬臂梁有两层,一层是金属,另一层是氮化硅薄膜。即使温度变化轻微,二者的热膨胀和所产生的应力也不一样,悬臂梁就会偏转,此时利用激光测试偏转的角度,便可测算出辐射的大小。“这是非常灵敏的测热方法,也非常新颖。”测算结果显示,物体微距情况下的辐射可以达到普朗克公式预测结果的1000倍。目前,陈刚的研究小组可以在实验中做到精确测量30纳米距离的辐射。陈刚表示,他们将进一步改进实验条件,力争做到可以精确测量物体在1-2纳米距离的辐射,他相信届时测量结果会更令人惊喜。麻省理工学院表示,陈刚团队证实了科学家所预言但无法实证的理论,获得了国际间同领域学者喝彩。长期从事这一领域研究的英国帝国理工学院教授约翰•彭德里爵士说,这项研究成果“令人激动”,因为微距下测定物体温度非常困难,而“陈刚教授的实验完美地解决了这一难题”。陈刚的本科和硕士时期的同学、曾在麻省理工学院做了3年访问学者的华中科大环境科学与工程学院王劲柏副院长向记者介绍:“‘黑体辐射定律’是该领域最经典的定律之一,陈刚教授在多年前就曾怀疑该定律在接近纳米距离时的适用性,如今他和他的学生通过实验证实了怀疑。”王劲柏介绍,该发现不但让人们对基本物理有进一步了解,其应用也涉及光热光电、半导体、磁储存等领域,如改良计算机数据储存用的硬盘的“记录头”等,相信在其他领域的重要作用也会逐步显现。
陈刚于1964年6月20日出生在南漳县城关镇。小时候的陈刚就特别聪明,3岁就开始学习汉字,上小学时,就已经能认200多个字了。陈刚1980年考入华中理工大学动力系热能动力专业,1984年获学士学位;1987年获工程热物理专业硕士学位,毕业后留校任教。1989年获王宽诚教育基金资助,赴美国加州大学伯克利分校留学,师从著名华裔科学家田长霖教授攻读博士学位,1993年获得博士学位。之后,曾任杜克大学机械工程与材料科学系助理教授(1993-1997年),加州大学洛杉矶分校机械与航空工程系副教授(1997-2000年),2001年加入美国麻省理工学院机械工程系出任正教授。目前,他担任美国机械工程师协会纳米研究所顾问委员会主席,并担任多个国际权威期刊编委,在纳米热发电、制冷材料和太阳能发电材料方面获得美国多项专利。陈刚教授获得过多个奖项,包括美国自然科学基金青年科学家奖(1994年),美国机械工程师学会传热杂志杰出评审奖(1997年),2002年被选为GUGGENHEIM基金会的会员(Fellow)。现任美国机械工程师学会传热杂志(ASME JOURNAL OF HEAT TRANSFER)副主编,美国传热年鉴(ANNUAL REVIEW OF HEAT TRANSFER)主编,材料工程A(MATERIAL ENGINEERING A)特邀主编,即将出版的《计算机与理论纳米科学》编委。
陈刚教授表示,在美国科学界有很多华人科学家,以美国麻省理工学院为例,几乎每个系都有中国教授。而在对于中国的科研水平,美国佐治亚理工学院的2007年“高科技指数”得出了一个惊人结论:中国科技水平已经是世界第一;中国科技总体实力也已超过德国、日本,很快就能超出美国。佐治亚理工学院(Georgia Tech)是美国三大理工学院之一。从20世纪80年代中开始,它就经常推出一个世界“高技术指数”(High Tech Indicators,HTI)。当初的目的是研究与预测:谁将是下一个日本。那时正是日本经济光芒万丈的时候。然而,日本无论在经济上还是科技上,追到美国身后之后,就开始“休息”了,摆出一副永远不可能再进一步夺取冠军的姿态来。佐治亚学院的这个指数每年在那里更新着,直到它忽然发现了一个“日本”,等到它发现这个“日本”的时候,同时发现这个新“日本”甚至已经局部超越了美国,从总体上,也是50-60年来第一次有了美国与别人竞争、并随时可能落后的局面。这个新“日本”自然就是中国了。这个由国家科技基金出资开展的调研项目的撰写者之一尼尔斯。纽曼说:“将近一个世纪来,我们第一次看到了既驾驭基础研究领域,又具有吸取科研成果、在科研基础上创造和营销产品的经济能力的领导者,而且是在这个星球上不止一个地方。”着眼美国,这位纽曼感慨万端,“二战以来,美国一直是全球经济的主要驾驭者。我们现在却面对这么一个形势:不是在这里研究开发和展开营销的技术产品在市场上出现,我们跟这些产品毫无关系,甚至不知道它们会到来。”这个指数由6个领域构成:投入(Input),国家方针(National Orientation),社会经济基础设施(Socioeconomic Infrastructure),科技基础设施(Technological Infrastructure),生产能力(Productive Capacity),科技水平(Technological Standing)。佐治亚理工学院对33个国家进行比较,综合统计数字和专家看法给各个国家打分。佐治亚理工学院相应文章的标题就叫“调研显示中国是世界科技领袖”。不少英语媒体转载、报导,用的是相应的提法。这是因为,从科技的角度看,最重要的指数“科技水平”方面,中国高居第一。2007年这个指数方面,中国得分为82.8,美国落到了76.1。德国第3,为66.8,日本第4,为66.0。而在11年前的1996年,中国这方面的得分还只有22.5,而美国得分91.4。在科技水平这个方面,所谓“金砖四国”中的另外三国根本无法跟中国相比:2007年,巴西的得分是17.6分;印度的得分是20.7;俄罗斯是15.8。而东亚的韩国(44.4)、新加坡(43.4)、台湾(34.5)和马来西亚(32.2)则都相当不错。同为这个项目撰写人的佐治亚理工学院政治与评价中心主任阿兰•坡特(Alan Porter)说:“中国真的在科技方面改变了世界经济风光。”“假如您看到,中国既展开低成本大规模加工,又聚焦于科技,然后在强调研究和发展的基础上把它们结合起来,那么结果将是:给其他国家留下的空间就没有多少了。”纽曼指出:“我们在我们测算的所有领域都看到中国的持续增长。与任何其他国家相比,我们没有看到中国在上升过程中出现过任何停顿。这种增长是戏剧性的。”
在“科技水平”这个领域内,技术产品的出口是一个关键因素。最近,中国这方面的出口额已仅次于美国。纽曼说,很快中国在这方面就会超出美国成为冠军。在培养和引进科技人才方面,美国近年来一直停顿不前。报告指出,9-11后,美国给移民设置了一系列障碍,更妨碍了美国科技人才群的扩大。纽曼说:“科学家和工程师,中国现在拥有的还不到我们的一半,但它有很大的增长空间。对美国来说,很难在这个领域改善很多,而对我们来说,情况变坏却是很容易的。然而对中国人来说,变好是很容易的,因为他们有更大的操作空间。”坡特认为,中国正在向研究与发展的全面的领袖方向行进。他举例说,中国现在在关于纳米技术的出版物的数量上已经是世界第1,尽管美国的出版物被引用、转载的比例比中国大。
除了“科技水平”这个领域,其他5个领域内中国还是落后于美国,所以应该用理性的态度看待中国科技指数。
在“投入”领域,中国虽然属于“第一梯队”,但仅排名第8,以67.2分落后于美国(88.7)、日本(75.7)、德国(70.0)、英国(69.5)、瑞典(68.1)以色列和加拿大(都是67.3)。“金砖四国”中,巴西47.1,印度56.8,俄罗斯55.2。但中国在1993年时还只有45.1分,增长速度是最快的。
在“国家方针”领域,高居首位的是爱尔兰(83.4),美国排在第4(78.0),中国(62.6)甚至排在最后排:第24位。而1996年时中国这方面得分还比现在高(65.2),2005年时更曾达到74.3分。德国是72.8分,日本是75.7分。巴西是55.1分,印度是64.6分,俄罗斯57.5分。
在“社会经济基础设施”领域,美国以87.9分高居第1,中国更差,在33个国家里倒数第7(61.2),但中国在1993年时只有46.4分,此后一路往上走来。德国得69.3分,日本得71.2分,都不是很靠前。巴西50.3,印度55.1,俄罗斯65.4。
在“技术基础设施”领域,中国相当不错。美国以95.5分遥遥领先于其他国家,日本以68.8居第2,德国以63.0居第3,中国以60.0居第4。在1993年时,中国这个领域得分只有38.6,此后一路往上走。
在“生产能力”领域,中国又是非常出色:以85.2分仅次于美国(93.4)和日本(87.2)居第3。1993年时,中国这个领域的得分只有33.2分。德国以74.8分居第4,巴西为46.5分,印度63.1,俄罗斯49.9。
首先,中国科技先(经济)一步进入与美国竞争阶段已经成为事实。西方十多年来对中国的注意力主要放在了经济发展上。据德国之声记者观察,惊呼中国在科技方面也在超越西方的呼声其实是最近一年来,尤其是最近几个月来才有的新现象,或者说,现在此间的人们忽然变得敏感起来了,呼声一下子集中了。但说中国已经成为世界第一科技大国、“世界科技领袖”的,恐怕还是这个美国佐治亚理工学院。“科技水平”指数,包括许多方面,如高科技产品的出口、发表的论文等。但是,现在就说中国是世界科技第一大国,似乎有点过早。众所周知,中国跟美国等西方国家还是有差距的,有的差距还很大;如高科技产品,还有个定义问题(手机、笔记本电脑等通常也被视为高科技产品)。但是,数字毕竟不会是完全凭空产生的。总体上,中国科技力量的突飞猛进,已经到了跟美国竞争的地步,这应该是事实。而且在这方面,中国的科技地位进步已经走到了经济地位进步的前面。在经济上,中国毕竟还在跟德国争第3个位置,而在科技上中国已经在争夺第1了。只是科技上何时真能成为第1,恐怕不可能象经济上那么透明。许多方面也只能靠这些不太可靠的数字,有些方面甚至只能凭感觉。其次,这些指数也表明,中国整体上突飞猛进,但进展很不平衡。刚看到一篇文章的标题里说“中国经济处在成长期的烦恼中”,觉得很有意思。确实有这么一种味道。如一个人一下子窜高了,还来不及长“胖”,有的部位发育成熟了,有的部位刚开始发育。这六个领域的指数就有这个模式:“科技水平”达到世界第一了,在“社会经济基础设施”领域却还非常落后。
世界科学技术正在发生新的重大突破,如何推进中国的科技进步和创新,发挥科学技术第一生产力的重大作用,为中国经济和社会发展不断提供强大的推动力量,使中国在未来激烈的国际竞争中获得新的更大的发展,是我们必须认真思考的重大课题。在20世纪里,科学技术取得了前所未有的进展,推动人类社会经济文化生活发生了深刻的变化。在这100年中,中国发生了历史性的巨变。新中国成立后特别是改革开放以来,我们党和国家高度重视科技事业,广大科技工作者艰苦奋斗,顽强拼搏,勇攀高峰,创造了“两弹一星”等一个又一个举世瞩目的科技奇迹,在许多重要领域取得了大量科技成果,有力地推动了中国的经济建设和社会发展。中国这100年的历程,说明了一个深刻的道理:一个国家的科技事业与这个国家的命运是紧密相关的,科学家的事业与自己祖国和民族的命运是联系在一起的;只有在实现国家独立、安全、稳定的前提下科技事业才能不断发展,只有献身于祖国和人民事业的科学家才能大有作为。