静心探索重要的基础科学问题不求“短平快”70后物理学家翁红明******

　　翁红明在讲解电子运输理论。

　　田春璐摄

　　人物简介：

　　翁红明，1977年出生，现为中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室研究员、博士生导师。主要致力于凝聚态物理计算方法和程序的开发以及新奇量子现象的计算研究，成果入选2015年度中国科学十大进展、英国物理学会《物理世界》2015年度十大突破、美国物理学会《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集等。

　　在中科院物理研究所（以下简称“物理所”）的年轻人里，研究员翁红明是小有名气的一位。就在刚刚过去的2022年，他因在数学物理学领域的杰出贡献，获得第四届“科学探索奖”。

　　在国际计算凝聚态物理研究领域，翁红明成果颇丰。其中最为人称道的，是他和同事们合作首次在固体中观测到外尔费米子和三重简并费米子的准粒子。这是国际上物理学研究的重要科学突破，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的诞生具有非常重要的意义。

　　自由思考、厚积薄发，真正对人类文明有所贡献

　　1928年，英国物理学家保罗·狄拉克提出了描述相对论电子态的狄拉克方程。1929年，德国科学家赫尔曼·外尔指出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。这种神奇的粒子带有电荷，却不具有质量，因而具有确定的手性（指一个物体不能与其镜像相重合，如我们的双手，左手与右手互成镜像，但不能重合）。

　　但是80多年过去了，科学家们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子。直到2015年1月初，中科院物理所方忠研究员带领的研究组与普林斯顿大学研究小组合作，从理论上预言了在以砷化钽为代表的一批材料中存在着外尔费米子。此后，这个理论预言经过实验得到了进一步验证。

　　在研究过程中，翁红明发挥了至关重要的作用。他从发表于1965年的一篇实验文献中受到启发，并通过第一性原理计算，初步认定砷化钽晶体等同结构家族材料可能是无需进行调控的、本征的外尔半金属。这类材料能够合成，没有磁性，没有中心对称，是实验制备、检测都非常便捷的绝佳材料。

　　翁红明说：“这一发现的难度在于，从众多材料中找到合适的对象犹如大海捞针，必须对外尔费米子和材料物理特性都有相当认识才行。”

　　在外尔费米子被发现的一年后，翁红明和同事们又进一步“预言”：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态。

　　2017年6月，这个新预言被实验证实，三重简并费米子被首次观测到。这是物理所科研团队继拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔费米子之后，在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破，引起国际物理学界广泛关注。

　　成绩源于多年的深耕积累。翁红明很享受在物理所工作的经历：“这无关荣誉，我找到了更感兴趣、更加深入的研究领域和方向。”

　　自由思考、厚积薄发，一直是翁红明喜欢的学术氛围。他所追求的不是多发表文章，而是能攀登科学高峰，真正对人类文明有所贡献。

　　科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的

　　作为理论物理学家，翁红明专攻量子材料的计算和设计。

　　物理学通常分成两大类，即理论物理和实验物理。理论物理通过理论推导和公式推算得出的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认的科学事实。

　　在翁红明看来，他接连获得的几次重大发现，都离不开与同事们的通力合作。这，也是他做科研一直特别重视的一点。

　　“理论预言、样品制备和实验观测，这三个环节缺一个都不行。”翁红明说，“在当今科学领域细分程度非常高的情况下，科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够的。当有重要任务目标时，我们几个小组紧密合作，在理论、样品、实验等环节实现了环环相扣、无缝对接。”

　　在许多人的想象中，理论物理学家的工作，就是每天独自埋头在稿纸堆里计算推演，然后坐着冥思苦想、灵光乍现。

　　但翁红明认为，计算推演的确要做，思考分析也不可少，但和同行们的交流也非常重要。他每天上班的第一件事就是查看和了解国际上最新的科研进展，然后分析、思考、计算，再把自己的想法跟同事们交流。“很多时候，我的一些想法，或者说突然的一些灵感，其实都是在思考、交流和工作过程当中产生的。”

　　“发现三重简并费米子”这一成果，就源于翁红明和石友国、钱天两位同事一次喝咖啡时的思想碰撞。

　　物理所的咖啡厅在学术界享有盛誉，不但因为咖啡好喝，也因为常有科研人员汇聚在此畅聊科学、各抒己见，聊着聊着，灵感经常“火花四射”。

　　和大家一样，翁红明、石友国和钱天工作之余也喜欢在咖啡厅一聚。翁红明有什么新想法会第一时间告诉他俩；石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑，也会第一时间反馈给翁红明。

　　“闲聊中就能交换信息，我们的交流是完全敞开的，毫无保留地让大家知道彼此做了什么。”翁红明说。

　　翁红明告诉记者，在科研道路上，自己非常珍视的成功秘诀有两个，一个是注意总结和积累，另一个就是跟别人多交流。

　　“目前我努力发展基于大数据和人工智能的凝聚态物质科学研究，其实也是基于这两点考虑，因为所有人的知识积累都体现在这些数据当中。”翁红明说。

　　做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题

　　1977年，翁红明出生在江苏泰兴一户普通人家。他的父母都是农民，家里还有一个姐姐。

　　初中开始，翁红明第一次接触到物理，从此便沉迷其中。“物理让我对周围的世界有了更深入的了解和认识。”翁红明说。

　　兴趣是最好的老师。对物理的热爱，指引着翁红明叩开了物理科学的大门。

　　1996年，翁红明参加高考。在填报志愿时，他毫不犹豫地将所有的志愿都填上了物理。最终，他如愿被南京大学物理系录取。

　　南京大学的物理系在凝聚态物理领域积淀很深。翁红明在这一领域进行相关知识的学习与研究，一学就是9年，直到博士毕业。毕业后，他去了日本的东北大学金属材料研究所做博士后研究，主要研究各种材料的导电性质。

　　到日本一年半后，翁红明萌生了转换研究方向的想法。

　　“我想要转到计算方法和程序的发展上，这是凝聚态物理领域中一个最基础也是最具有核心竞争力的方向。”翁红明说，“如果想要在这个领域有长远发展，就要在这个方向上有一定的积累。”在他看来，静下心来探索重要的基础科学问题，要比做一些“短平快”研究更有意义。

　　想归想，但真正下定决心，翁红明也经过了一番纠结。

　　他坦言：“当转到一个更基础的方向，也意味着你在未来的几年甚至是更长的时间里都需要耐得住坐冷板凳。所以必须做好思想准备，去做一些积累性的工作。”

　　2008年，翁红明的人生又有了一次重大转折。

　　那一年，物理研究所研究员、博士生导师方忠到日本访问交流，翁红明跟他进行了深入的交谈和讨论。

　　翁红明告诉记者：“他跟我介绍了当时做的一项很有意思的工作。虽然我那时并没有很深刻的理解，却受到很大的启发——做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题。”

　　在方忠的影响下，2010年，翁红明决定回到国内，入职物理研究所，成为方忠团队的一名成员。

　　翁红明说：“每个人在一生当中可能会跟很多人交往交谈，但在人生重要转折时刻能够给你启发的却不多。能有这样的机遇去跟方忠老师交流并受到启发，我觉得这是非常宝贵和幸运的。”

　　在新的一年里，翁红明说自己有很多研究工作要做，尤其是如何在拓扑电子学器件研究方面取得突破，促使拓扑电子态理论变成可落地应用的技术。而这，需要跟器件和应用等方向的研究人员进行交流和讨论。

　　翁红明相信，拓扑时代的黎明时分正在临近。（记者 吴月辉）

狗脸识别、智慧铲屎、电子游戏......未来我们和宠物的互动有多丰富******

        从“饲养”到“陪伴”，宠物已成为人们不可或缺的家庭成员。

        Euromonitor最新数据显示，2015至2021年，全球宠物市场规模从1098亿美元稳步攀升到了1597亿美元，年复合增长率达6.4%。在中国，宠物消费市场规模更是在十年间从140亿元大幅攀升至2490亿元。

        在物联网、大数据、人工智能等技术的加持下，我们与宠物的互动越来越丰富。未来，科技将怎样帮助我们提升和宠物的亲密度？我们可以怎样智慧养宠？

图源：pixabay

       “铲屎官，陪我打游戏”

        玩电子游戏已经不是人类的特权！英国初创宠物品牌Joipaw已经开发一款给宠物狗使用的游戏家用主机，名为“Joipaw”。该产品带有一块触控屏幕以及自动投喂器。

    图源：joipaw

        未来，我们或许可以看到这样的画面。

        回到家，发现狗子正在屏幕前“奋战”，不亦乐乎。它用鼻子精准地“捉”住了屏幕上的每一只地鼠。而投食机在狗子每次成功触及屏幕中的地鼠时，投放零食给与奖励。狗子疯狂进食，津津有味。

        不止如此，Joipaw还为他们的主机搭配了运动穿戴设备，这些设备既可以供饲养人通过APP来监控宠物，还可以直接关联游戏内容，进行额外的游戏控制。

    图源：Joipaw

        英国开放大学动物-计算机交互教授兼 Joipaw 的科学顾问克拉拉·曼奇尼 (Clara Mancini) 说，针对狗的触摸屏大脑游戏的研究虽然才刚开始，但“非常有前途”。她认为，这项技术可以帮助患有痴呆症的狗，或者让那些因为住在收容所而不太活跃的狗变得更活跃。

       “铲屎官，带好我的身份证”

        世界上不存在两片完全相同的树叶，也不存在两只鼻纹完全相同的狗子。

        与人类指纹类似，犬类鼻纹具有唯一性与稳定不变性，甚至不会随着成长而改变。主人只需对准犬鼻进行简单的抓拍或者视频录像，系统通过犬鼻检测，定位出鼻纹关键点，将提取到的鼻纹深度图信息汇入后台数据库，更可为犬只生成一张专属的身份证。

    图源：旷视科技

        在AI技术日趋普及的当下，犬鼻纹识别技术是通过对比犬鼻纹图像特征之间的相似性来确定犬只的身份，其核心技术是使用模式识别、图像处理等方法对犬只的鼻纹特征进行描述、匹配和分类，从而实现自动的犬只个体认证。对比现有的DNA认证和芯片认证，鼻纹识别具有识别精度高、宠物友好性高、操作体验好、反作弊性强、成本低等优点，具有广泛的应用前景。

    图源：支付宝

        目前，已有科技公司推出宠物的鼻纹识别解决方案，用于城市中的宠物管理，如AI寻宠、宠物门禁、在线犬证办理等。此方案主要通过模式识别、图像处理等方法对犬只的鼻纹特征进行描述、匹配和分类，从而实现犬只的识别与认证。

        当宠物拥有专属ID，有关犬的基本信息、生活动态、消费记录、服务和医疗等信息都将与之绑定。由此拓展的宠物比赛、宠物保险、宠物医疗、宠物零售等场景都将呈现出更多样的可能性。

       “铲屎官，我们谈谈”

        利用擅长模式分析的人工智能，我们或许可以真正破译动物语言，与猫、鸟类，甚至鲸鱼等动物直接对话。届时，人类与动物的关系或将掀开新一页。

        美国北亚利桑那大学科恩·斯洛伯德克夫创建了一个名为Zoolingua的公司，目标是开发一种人工智能，让人们能与宠物顺畅地沟通交流。他认为，如果人类能了解到一点点动物们的想法，同时让动物们了解一点点我们的想法，二者之间的关系将完全不同。

    图源：Zoolingua官网

        因此，该团队观察狗子在特定环境下的叫声和行为，并对这些复杂的通信形式进行分类和分析，最终可以有效准确地在计算机程序中，将“汪汪”翻译成英语。

        根据Zoolingua的统计，美国每年约有二至四百万只狗被安乐死。其中大部分归因于行为问题，而这些问题的出现主要是因为人与狗之间缺乏沟通。该团队认为，如果能找出狗子的行为与我们指令相出入的原因，我们就可以解决很多行为问题并拯救很多狗。

       “铲屎官，今天你铲屎了么”

        通过DNA检测技术和无人机，狗子的粪便可以被精准锁定，并找到那个拒绝铲屎的铲屎官，进行追责和教育。

    图源：PooPrints

        从DNA采集的角度来说，美国DNA技术宠物公司PooPrints已经有了成熟的方案。

        首先，要在每个狗子的身上提取到生物信息数据样本。然后，每只狗的基因档案都被注册，并安全地上传到DNA世界宠物登记数据库中，狗主人还需要填写一份关于本人的基本信息，相关信息会存储到狗子的“身份证”中。最后，只需要从“犯罪现场”提取到证据，将样品证据返回实验室进行处理，就可以将粪便与狗子们匹配上，从而找到这个懒惰的铲屎官了。

    图源：pooprints

        那如何追踪狗子的粪便呢？

        荷兰企业家Gerben Lievers将传感器和机器人综合成了“无人机铲屎官”。第一个无人机模型名为Watchdog1，主要使用热成像技术，通过与周围区域相比的温度来定位需要铲的屎。同时，该模型附有GPS定位系统，相关数据会发送到名为Patroldog1的地面机器人上，接收到数据后，地面机器人便负责找到并清理。

        炫酷科技带来震撼的同时，也温暖着我们生活中的点点滴滴。未来，理性与冷酷将不再是机器的代名词，它们将以有温度、有生命感的形象，融入每一个家庭，让家庭智能起来。（整理：李飞 策划：穆子叶）

        参考 | 虎嗅网、文汇报、中国青年网