“微电子工程及半导体物理学硕士（Master of

000年的秋天我来到剑桥读研究生，课程的全称叫做“微电子工程及半导体物理学硕士（Master of Philosophy in Microelectronics Engineering and Semiconductor Physics）”。 这是物理系和工程系合开的课程，从10月开课到来年9月论文答辩，整整一年时间，安排得非常紧张。前半年一共13门课，涉及半导体物理、半导体器件、芯片制造、高能电子学、大规模集成电路、量子物理、生物电子学等知识领域，另外还有两个大实验（Case Studies）和一份调研报告（Literature Survey）。在2001年4月底，13门课分为两场综合考试。这就是我学生时代的最后两场考试，读博士以后就没有正式的笔试了。后半年是一个比重占整个硕士成绩60％的研究项目，实验任务异常繁重。这是我整个读书生涯中读得最辛苦的一年。陌生的生活环境，全新的专业课程，独特的教学模式，难度极大的考试，还有做研究必须掌握的几十种实验设备，真把人压得喘不过气来。后来，生活适应了，专业也熟悉了，读起博士来倒是轻松了许多。在这一年中，遇到了很多困难，也学到了很多东西，其中有那么两件在剑桥学物理的小事，令我的内心感到深深地震撼。


中国的标准答案

半导体物理和半导体器件是两门基础理论课，也是考试的重点，涉及到很多抽象的理论和复杂的计算。老师不时会发一些习题，让我们回家做。负责我们课程的老师是约翰?克利维尔博士（Dr John Cleaver），他特别敬业，尽管他非常忙，还专门安排时间给每一个学生单独辅导。其实，我们班只有10个人，却来自欧亚非三大洲8个不同的国家。原计划每个学生辅导一小时，实际上每个人都远远超过一小时。他给我就讲了整整两个小时，更让我始料未及的是，他花两个小时就给我讲了一道题，一道我只花了半个小时解答而且自我感觉还不错的习题。也就是这两个小时，让我的内心感到深深地震撼，让我第一次懂得什么才是真正的学习物理，让我第一次见识什么是严谨的治学态度，让我认识到自己在物理面前是多么浅薄和幼稚，令一向物理成绩优异的我惭愧莫名。

那是一道我非常有把握的题目。我答题非常仔细，计算准确无误，绝对的标准答案。可是，老师两个小时把我说得目瞪口呆，心服口服，真是不服不行。我做题的方法很中国。以前解物理题不外乎，先读懂题面，抓取重要数据，再根据情况挑选正确的公式，把数字代进公式，算出最终答案了事。在中国，只要公式用得对，最后计算的结果正确，就是满分。那道题，我就是这么答的。可是老师一点都不买我的帐，他花了整整两个小时手把手地教我如何去思考一个“真正的物理问题”。与其说他花两小时教我解了一道物理题，不如说他花了两小时教我如何学物理。

克利维尔博士在我们微电子研究所资历很老，是仅次于教授的第二号人物，也就是在剑桥，在其他大学他早就是教授了，他监管研究所日常的所有重要事务，自己带着几个博士生，还负责我们这个硕士课程，因此他特别忙。按理说，我们研究生在实验室里算是最不受重视的了，但是只要我们有问题，不论多忙他都会耐心解答，有时候我们自己都觉得于心不忍。这次他还专门抽出大块的时间给我们如此认真地辅导习题，实在是不容易。就是一批像他这样了不起的科学家成就了剑桥的学术，就是一批像他这样了不起的导师成就了英国的科教事业。


原来物理该这么学

虽然我题答得不好，但是他没有任何批评或者不悦，而是和颜悦色地跟我说：“作为一个理性的人，我会这样去做（As a reasonable person, I will …）”。他非常耐心，绝不是给我一个标准答案了事，而是一步一步引导我进行理性思维，他从来不说你哪里错了，只告诉你怎样才能更好，怎样才能更准确、更全面、更深刻地分析物理问题。

我那道题的答案就是一页A4的纸，大半页都是数字、公式和计算，还有几行文字说明。他看看这张答题纸问我，这一大堆数字是什么意思。我当时有点蒙，这东西你知我知，那还用说。但是在这节骨眼上，我也只好硬着头皮上。我说看这里，我用了这三个公式，然后把数字带进去计算就行了。然后他又问，这几个公式是从哪里来的。我又有点莫明其妙，从你发的讲义上来的呀。他笑着告诉我，我们研究的是物理而不是数字，一个物理老师拿到一份物理题的答案，想看的不是数字，而是学生对物理的理解。不但数字不重要，而且公式也不重要，重要的是对基本物理概念的理解和对物理学原理本质的把握。很多工程上直接运用的公式都是可以从更基本的物理原理推导出来，而且所有物理学公式的成立都是有条件的。尤其对于半导体物理，半导体器件内部的物理现象非常复杂，涉及量子效应，对参杂浓度和温度都非常敏感，所以公式在前提假定没有说明清楚的情况下，是没有物理意义的。老师告诉我，理性的思路应该从最基本的物理假定入手，首先罗列半导体理论的所有假定，根据具体情况加以分析，每一个假定，每一种情况，每一次选择，每一层因素都要完整地展开讨论，从而最终导出正确的物理公式用于计算。原来一页A4的纸，现在密密麻麻地用了整整五页，添加了大量的说明、讨论和图示。一道题贯穿了半导体物理学的整条脉络，看到老师陪我一起做出的新答案，我第一次如此刻骨铭心地体会到，原来物理该这么学。


画匠与大师的区别

学习科学一定不能想当然，教科书里的东西不是金科玉律，更不是万古不变的真理，不要认为引用教科书的公式就没有问题。任何一门科学理论都有“基本假定”作为前提，任何一个公式都有一定的适用范围，如果没有很好地把握这些基本假定，就根本谈不上对科学理论的理解，更不可能突破固有观念并创造新理论，因为基本假定是最有可能突破的地方。打一个简单的比方，我们初中开始学习的平面几何，又叫做“欧几里德几何学”，它的基本假定就是“直线”的概念。我们通常称之为“公理”，这个叫法不好，还是应该叫做“假定”（Assumption）。“公理”顾名思义就是“大家公认的道理”，那还有什么可怀疑的？这种叫法本身就给了人们不去挑战“公理”的借口。而“假定”一词用得好，一早就告诉大家这是假装确定下来的，鼓励大家尝试着去把它真的确定下来，或者突破它，创造新的科学理论。很多人想当然地认为“直线的存在”不容置疑。其实，还有一种几何学，叫做“非欧几里德几何学”，它就是否定直线的存在，认为世界上只有曲线，直线只不过是一种曲率为零的曲线。非欧几里德几何学中有一个重要分支叫做“黎纳数学”，它是广义相对论对时空弯曲定量分析的必备数学工具。

物理不是简单的数字游戏，对物理的把握并不在于掌握了几个公式或者是否算对了最终答案，而在于对整个物理理论体系的深刻理解。到剑桥以后我才清醒地认识到，虽然以前在国内自己的物理成绩非常优异，但实际上，我根本就不懂物理，对物理的理解幼稚而且浮浅，很多东西只停留在表面，没有真正领会物理学的精髓，更没有触及物理最深刻、最柔软、也是最有魅力的地方。就像画一幅肖像，能够捕捉人物的所有细节，但不能抓住人物的灵魂，充其量就是一个画匠，永远成不了大师。


突如其来的难题

还有一件小事，让我感触颇深。那是我硕士论文答辩的一个片断。我的研究课题是单电子逻辑，实验难度非常大，除了要通过几十道工序独立完成纳米器件的制作，还要采用超低温测试获取实验数据，脑力和体力的消耗都很大，直到8月初才完成实验，月底交报告，然后就是重要的论文答辩。

有两位考官，一位就是我们实验室的克利维尔博士，另一位是南安普顿大学微电子系教授。他们人都特别好，实验结果不错，答辩进行得非常顺利。突然，我们老师问了我一个难到极点的问题，纳米线单电子三极管为什么能够产生单电子效应。这回，我是彻底蒙了，因为我就曾经问过我导师这个问题，他就没答出来，我也看了很多资料，由于这是一个基于实验现象的纳米器件，因为太复杂所以多少专家都没有给出让人满意的理论解释。我当时就傻了眼，哑口无言，面红耳赤。我憋了半天，只能说不知道，还给自己找台阶，说我问过我的导师，他也不知道。老师笑了笑，告诉我不用紧张，其实他们也不知道有什么合理的解释，但他们希望我能够根据自己的理解去思考问题。他们并不期待我能够给出最终合理的解释，只要我分析一下那些我能够考虑到的因素就可以了。老师还给我举了一个例子，比如这样分析，虽然解释得不清楚，但却不失为一种不错的思路，并鼓励我以后要这样去思考复杂问题。


思考的勇气与智慧

遇到难题，哪怕是无法逾越的复杂问题，就算完全不可能解决，也要尝试用不同的思路去分析。分析得不对，分析得不准，分析得不全面，都没有关系，但首先要敢于去思考，敢于根据自己的理解去找思路。比如面对一个无比复杂的事物，也许会有几十甚至上百种因素制约着它，很难被分析透彻。但是无论如何，我们可以思考，分析有哪些因素起了作用，哪些是主要的因素，它们是如何产生影响的。虽然距离理想的目标还非常遥远，但是却走出了解决问题的第一步。很多复杂问题的思路都是从这里开始的，有了第一步，就会有第二步，层层深入，无论这种分析能够走多远，但有一点不容置疑，我们对这个问题的认识会越来越深刻、越来越具体。

老师这样教学生，在中国是难以想象的。还记得我在蛇口读中学的时候，物理成绩非常好，很会运用老师教的知识解决物理难题。但现在看来，我当时玩的是以物理概念、物理原理和数学公式为基础的智力游戏，为的只是得满分，完全谈不上对物理学真正的理解。中国的教育体制有它很好的地方，比如基础知识牢固，要考倒中国学生太难了，可是一旦进入科学研究阶段，这些根深蒂固的知识和习惯又成为束缚人们思想的条条框框。这种学习方法很难让学生真正深刻地理解和热爱科学。我们可以看到，在世界级的各种国际奥林匹克竞赛上，中国学生的成绩都非常优异，这确实值得国人骄傲。但是，这些少年天才有多少人能够成长为世界级的数学大师或者著名物理学家呢？科学研究讲的是突破与创新，而应试教育讲的是基础和守成。在西方学科学，不如中国系统，但研究任何一块领域，都专得极深，而且攻守兼备；在中国学科学，知识不但系统而且全面，防守做得很好，但攻坚能力普遍较弱。在学习阶段，就很少有人敢于独立思维，甚至挑战老师的权威，这对于有创造力的学生是不利的。中国的科技人才虽多，但世界级的科学大师依然匮乏。

这是我在读硕士期间亲身经历的两件小事，虽然事情都不大，但对我内心的震撼却很大。剑桥物理系是出过28个诺贝尔奖的地方。一个人失败可能是偶然的，但成功一定不是偶然。在物理系，像我们老师这样的学者不止一个，这种科学的思维方法和严谨的治学态度，已经成为一种文化和传统。在剑桥学物理，我学到的不只是科学的知识和技能，更重要的是一种对科学的精神和态度，以及对物理学深层的理解和欣赏。