[学者笔谈] 陈民：云中雀与井底蛙

 [发布时间]: 2013年01月22日

    ■ 有人把卓越的科学家分成两个类型：云中雀和井底蛙；一个翱翔于天际不断地寻找新的天地、发现万事万物间的内在联系，一个沉醉于更深更尖、达到常人所不及的地方。

　　■ 有幸于博士毕业后在两个风格完全不同的研究组学习工作过，一个追求新颖、一个追求细致，他们分别在科学研究的广度和深度上都做到了极致，在本领域占据着前沿位置。

　　■ 对于不同的研究课题，往往需要不同研究类型的科学家；对于年轻的科研人员，应该脚踏实地从某一领域的深入研究开始入手，再根据自身的性格和研究习惯，选择自己未来的发展模式。

　　科学研究的两种风格：云中雀与井底蛙

　　科学研究有的是对新现象、新规律的探索，有的是对重大难题和挑战的攻关。其研究内容可以说是包罗万象、大相径庭，相应的研究方式也大不相同。作为科学研究的主要承担者，科学家及其研究团队也都有着自己不同的研究风格。从2007年博士毕业到现今，正好五年的时间，在这五年里，我亲身经历了两个完全不同的研究组，与多位学术造诣高深的科学家密切合作。他们不同的研究风格及其课题组不同的文化氛围，都给我留下了深刻的印象和智慧的启迪。

　　有的人把卓越的科学家分成了两个类型：云中雀和井底蛙。与之相联系，我常常把科学研究活动与矿藏开发过程相比拟。对于未知科学的发现，我们需要云中雀这样的科学家，他们有广阔的视野，翱翔于天际，俯瞰大地，知道哪里有可能聚集着他们所需的宝藏。不同的时代，不同的地方，需要不同的矿藏。金矿也好，银矿也好，在不同的时代都有不同的价值和不同的开采难易程度。与之相对，科学研究方向的好坏及研究手段也受制于时代和地区的需求及条件。云中雀们需要把握好时机找到最适合自己的研究领域。有了好的宝藏，需要的是理论估算和架起坚硬的钻头去劈开岩石，切实开采。云中雀们大的选址及方向性的好坏，直接决定着后续开采的难易和成果的多少，只有切实符合时代和社会发展的宝藏才是最好的宝藏。在如今这个信息高速传播的时代，一旦稍有斩获，可能会有跟风而来的大量的小的钻头在云中雀发现的宝藏上开采，而能采到多少、多深，完全取决于跟进的速度以及各自的实力和能力。通常而言，好的宝藏，往往在最深处。这时候需要井底蛙似的人物，去打入深深的坚实的钻头，去攻克一个个难题，最终开采出一般人可望而不可及的宝藏。

　　一个翱翔于天际不断地寻找新的天地，发现万事万物间的内在联系；一个沉醉于更深更尖，达到常人所不及的地方。云中雀和井底蛙，无所谓谁更优秀，是科学研究在广度和深度上的两个极致；也是科学研究由点到面，由外到内发展的必然需求。一个大的科学研究团队如果有这样的成员，必将大有作为。而这样的组合，在当今世界上却是屈指可数的。降低一个台阶，如果我们把研究领域局限在某一个有限的范围内，这样的组合倒是常见的，往往这样的研究组在本领域也恰恰占据着前沿位置。

　　作为一个研究人员，具体到个人，是做云中雀，还是做井底蛙，完全取决于个人的风格。我想，无论何人，都必须先从浅井蛙或低空雀做起。只有自己在某一领域做到了一定的深度，才能融汇贯通，发掘更深层次的东西，才有资格和能力去做云中雀或更深层次的井底蛙。

　　我所亲历的两个研究团队

　　2007年博士毕业以后，我得到德国洪堡基金会的资助到杜塞尔多夫大学跟随Alexander Pukhov教授从事激光等离子体物理方面的研究。由于我的工作主要是在理论模拟方面，不受制于实验条件限制，所以跟随一个在本领域涉及面较广的“大牛”做博士后研究一直是我博士期间的梦想。Pukhov教授正是这样一位。他早年在马克思普朗克光学研究所做洪堡学者，在此期间，他在激光等离子体各领域都做出了杰出的贡献。他最早利用自己研制的多维相对论粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲在等离子体中的自聚焦行为，研究了逆自由电子激光加速过程，他也是激光尾波加速中空泡加速的发现者。他的研究还涉及到激光固体靶相互作用中的高次谐波及阿秒脉冲产生，与惯性约束核聚变相关的光束和电子束传输研究。几乎在这每一个领域，他都做出了一流的贡献。他的研究风格我认为从大的视角讲是井底蛙型，而在激光等离子体领域范围内却是云中雀与井底蛙兼具型。

　　在他的理论研究团队里，我最大的感觉就是对工作创新性的迫切追求。每天早上或是每次组会Pukhov教授问我的问题几乎都是：“民，有新的发现吗？”有几次，我自认为有新的发现，立刻去找他讨论，他给我的回复是，这个工作早已有人做过，不值得深究，然后建议我扩展研究尺度，突破现有实验条件的限制，在理论上做大胆的探索。在那两年的时间里，发现新问题、新现象是我每天都必须思考的事情。对于发现新问题，最好的方法就是紧跟某一领域前沿去做研究。在这样一个指导思想下做工作，有一定的好处，就是你确实能够做出一些有新意的东西而且很快会成为热点；但是也有缺点，就是一味追求新颖，工作往往不够深入和完备，也会失掉一些机会。

　　2009年，洪堡基金资助结束，Pukhov教授准备继续资助我在该研究组的工作。从自己的长远发展考虑，我希望能到一个与实验物理学家有更多交流的地方，自己的想法如果能被实验所证实，那将是一件非常令人愉悦的事情。Pukhov 教授于是推荐我申请牛津大学和帝国理工大学的博后位置，我积极准备材料，很快接到了面试邀请。而就在此时，美国劳伦斯伯克利国家实验室的激光加速实验室也正在开放位置。我很是兴奋，要知道这可是一个拥有12位诺贝尔奖获得者的国家实验室（2011年在这里我又亲身经历了第13位诺奖的得奖时刻），加速器史上纵多的里程碑式的工作就在这里诞生。做激光加速，显然这里是更适合的地方。我毫不犹豫递交了申请，通过面试，于2009年10月，从杜塞尔多夫直接飞到了伯克利，跟随Eric Esarey教授继续从事激光等离子体加速方面的理论研究。Esarey教授是本领域的理论大师，在激光导引、尾场及加速理论、电子注入、尾波辐射等方面都做出了杰出开创性的工作，他的多篇综述性论文引用率在本领域都首屈一指。而这个研究团队，在激光尾波加速领域，在实验和理论上都是世界上数一数二的。能加入这样一个团队，我倍感荣幸。那时，我对Esarey教授和这个组的研究风格还不甚了解。根据经验，我判断他是本领域井底蛙型的科学家。后来事实证明，我的判断是基本正确的。

　　经过一个多月的工作生活，我深有感触。无论是文化氛围，还是研究模式，我所面临的都是一个大的突变。在德国时的工作追求创新，突破现有实验条件的限制，科学研究灵感往往在与同事闲聊和咖啡的香味中产生；而在伯克利，激光加速实验室追求更多的是细节，研究工作要最大限度地与现有实验条件相适应，科研工作也忙碌许多，学术讨论会议尤其多。这当然与研究课题和受资助的方式相关。在德国的时候，我受到的是洪堡基金的资助，选题的自由度相当大；而在伯克利，这种自由度几乎完全没有了，研究课题必须与团队申请的项目相关。我的第一个研究课题就被限定在一个非常具体的问题上——激光尾波场加速中的电离注入。这一课题实际上是延续我2006年博士在读期间和导师的一个合作工作。那个时候实验条件还不具备，我们从计算机模拟上最早研究和证实了电离注入在尾波加速中的可能性。经过几年的发展，2010年国际上很多实验组都证实了电离注入机制。不同的是，我们早期的研究是基于多激光脉冲注入，而已有的实验是基于单脉冲的，所以对于单脉冲下的离化注入和尾波加速理论必须跟进。为此， Esarey教授建议我继续深入研究这一课题，仔细分析离化注入在能散和发射度两方面的理论极限，为将来超高性能尾波场加速做准备。

　　Esarey教授在课题研究中对细节的关注度远超过我的想象，而就是这种对细节的苛刻要求，往往伴随着新的科学发现。俗话说，魔鬼都害怕细节，科学研究中对细节的分析，往往是决定成败的关键。举个例子来说，在研究过程中，我们发现随着混合气体长度的缩短，最终注入电子束的能散会降低；由此推到极限，起先我们认为能散在混合气体长度为零的情况下会降到零。可是一次次的模拟研究发现，始终有一定的截止能散存在。按以往的研究方式，我可能就将这部分能散归咎于数值模拟噪音。Esarey教授并不苟同这一看法，一再坚持我用更高精度的模拟，提升程序的性能，降低噪音，继续深入研究。他希望我把能散从2%降到1%以下。对于这一小的课题，花费如此大的时间和精力，并不是我所希望的。那时我希望尽早结束此课题，从事更为新颖的注入方式。事实证明，无论如何提高模拟精度，或用更为先进的程序，这个离化注入的最小能散始终存在。经过对离化和加速两个过程的深入分析，我们最终得出结论，能散的主因不是来源于数值模拟噪音，而是来源于隧道离化过程本身在尾波相空间的分布，导致不同时刻离化注入的电子实际上是分布在不同的相空间轨道上，这必然导致最终有一定的能散分布——截止能散。沿着这一发现，我们随后提出了利用扭曲形状光脉冲的离化注入模式，使得最终进一步降低电子能散成为可能。

　　尽管这一发现，并不会给尾波加速或注入带来多大的变革，但这一研究对提升电子束的质量还是起到了非常关键的作用，也让人们知道离化注入对能散的提升是有局限性的，为实验物理学家少走弯路提供了参考，我们的文章一经发表，就被杂志以研究亮点的形式予以报道，受到了广泛的关注。通过这一研究过程，也使我认识到细节研究的重要性。在劳伦斯伯克利国家实验室的日子，像这样对细节研究和深入讨论的例子还有很多很多，存在于众多的研究组中。年轻的科学家们面对这些细节，都头疼至极，有时难免有一些抵触情绪，总认为自己被局限在过小的课题上，没有机会去大显身手。现在回想起来，正是这种对细节的追求，才让他们一步一步解决了尾波加速进程中的众多难题。别的团队不能产生单能电子，他们能产生；别的团队利用更好的激光器都不能加速到GeV电子束，他们却能够。今天尾波加速中的几乎各个子课题：激光导引、注入控制、加速横场控制、级联加速、Betatron辐射、电子束诊断，几乎每一项他们都稳扎稳打，在这一个领域创造了多个世界第一。三十多个人的团队只局限在激光尾波场加速领域，把全部过程做得极为细致坚实、系统前沿，整个研究团队就是一个井底蛙型的团队。在强场物理迅猛发展的今天，他们并没有去开拓更多的研究方向，放弃了很多热门课题，比如说强激光离子加速，强激光核物理等等，而是始终沿着尾波加速这一征程前行。当然他们的目光一点也不短浅，他们面向的是更为深入的基于激光等离子体加速器的TeV直线对撞机和自由电子激光辐射源。

　　关于云中雀与井底蛙的思考

　　如前所述，对于科学家，在不同的领域实际上都有云中雀和井底蛙两种，无非是飞的高低，和深入程度的不同。对于不同的研究课题，往往需要不同研究类型的科学家。如果是探索发现型，需要科研人员有广阔的视野和洞察事务之间内在联系的能力；如果是攻坚攻关型，需要有坚实的基础和超人的毅力，以及对细节明察秋毫的能力。对于年轻的科研人员，应该脚踏实地从某一领域的深入研究开始入手，再根据自身的性格和研究习惯，选择自己未来的发展模式。

　　做云中雀要经得住风雨的考验，做井底蛙要耐得住寂寞。任何学科的发展，离不开这两类研究人员。尤其是现今大科学时代，一个科学项目的投入经费都是千万、亿的量级。没有云中雀的大视野，很难选准方向，也很难得到国家的投入；没有井底蛙的深入研究，很难把问题做精做细，取得高质的科学研究成果。科学发展不能流于表面肤浅的东西，需要的是既有广度又有深度，对人类社会发展切实有用的东西。

　　对于年轻的研究人员，在一个云中雀、井底蛙兼具的课题组里学习工作，将受益无穷。在当代中国，众多的“小海龟”们，都在国外接受过云中雀或井底蛙的指导，回到国内，自己究竟是云中雀还是井底蛙，还是都不是，自己要有清醒的认识。对于新的科学前沿的探索，我觉得，我们既要脚踏实地地解决手头具体的工作，又要在内心深处志存高远，努力创造机会开拓自己的眼界。经过多年的历练，在多个领域成为井底蛙型的学者，厚积薄发，将来终有一天会由点及面，豁然开朗，变成展翅高飞的云中雀。而对于已经选定好的，对国计民生有重大意义，但又没有解决的重大项目，重大科学技术难题，研究人员一定要稳扎稳打，深入细致，做深做透，达到忘我的境界，进而成为一个领域实实在在的专家，一个具有深厚功底的井底蛙。

　　我有幸博士毕业后在两个风格完全不同的研究组里学习工作过，一个追求新颖、一个追求细致。这样一种训练过程，使我能够清晰地认识不同科学研究项目所需的研究模式，以及如何在一个科研团队内协同合作；也使我认识到一个科研人员应该具备什么样的素质以及如何寻找适合自己的研究风格。2012年，我加入了上海交通大学激光等离子体实验室，这是一个实验和理论兼具的团队，既有云中雀式的视野广阔的科学家，也有井底蛙式的基础坚实的科学家。在这样一个团队里，相信经过几年的耕耘和努力，实验室里必能走出自己新一代的云中雀、井底蛙，由此伴随的是我国激光等离子体物理学的发展壮大。

　　学者小传

　　陈民，上海交通大学物理系特别研究员，博士生导师。2002年在中国科学技术大学少年班学院（零零班）获得理学学士学位，2007年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。2007年至2009年间受德国洪堡基金资助在亨利希海涅杜塞尔多夫大学从事洪堡博士后研究。随后加入美国劳伦斯伯克利国家实验室继续从事激光等离子体尾波场加速方面的研究。2012年以特别研究员身份加入上海交通大学。

　　主要从事超短超强激光等离子体相互作用中的理论和数值模拟研究。最早理论模拟研究和验证了尾波加速中的电离注入机制；研究了激光辐射压离子加速中的横向不稳定性；提出了耦合激光模式加速理论；成功利用尾波X射线辐射谱反推测量尾场中微米量级电子束的横向尺度及发射度。2006年以来与合作者共发表相关论文50余篇，总引用率超过600次。2007年获蔡诗东等离子体物理奖和中国科学院杰出科技成就奖（集体）。作为负责人现承担国家自然科学基金和863计划课题。

来源 ：上海交通大学新闻网
原文： http://news.sjtu.edu.cn/info/1006/133437.htm