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周立伟院士:“即便是蹒跚着也要前进”

来源:  发布时间:2014-05-06

本刊记者  刘家贻    

 

        周立伟,出生于上海市,浙江诸暨人。电子光学与光电子成像技术专家、宽束电子光学学派的开拓者与奠基人。1958年毕业于北京工业学院(现北京理工大学),1966年获苏联数学物理副博士学位。现任北京理工大学教授。
        1984年被授予国家级有突出贡献的中青年专家称号,1997年被俄罗斯萨玛拉国立航天大学授予名誉博士称号,1999年当选中国工程院院士,2000年当选俄罗斯联邦工程科学院外籍院士。    


        电子光学是研究电子在电磁场中运动和电子束在电磁场中聚焦、成像、偏转等规律的学科。已渗入到无线电电子学、电子显微学、质谱学、电子能谱学、表面物理、材料科学、高能物理以及光电子成像等领域中,凡是涉及到产生、控制和利用带电粒子束的问题,都需要运用电子光学的成果。宽束电子光学是研究大物面宽电子束成像与聚焦以及设计变像管和像增强器的科学,是电子光学的一门分支学科。
        周立伟是我国电子光学领域培养的最早的一批科学家之一。在60年的山河巨变中,社会在发展,科学在进步,周立伟与他的宽束电子光学事业也在发展中不断蜕变,而不变的是他在60年风雨中的坚守,以及那颗“即便是蹒跚着也要前进”的科学之心。

 

追逐未来梦想之光

 

        1999年11月,周立伟荣膺中国工程院院士,2000年当选俄罗斯联邦工程科学院外籍院士。北京理工大学的老师和同学们为他骄傲,为他高兴,为这位情系母校的院士而自豪。
        为了祖国电子光学科学的发展,他奋斗了60年,60年辛勤耕耘、60载孜孜以求,换来沧海桑田的变换,他在科学的路途上矢志不渝、执著攀登,成为自己的科学学派的创立者。
        1932年,周立伟出生于上海市一个普通制药工人家庭,一家五口靠父亲微薄的收入艰难度日。1948年夏天,16岁的周立伟第一次为自己的人生做出重大选择——放弃高中学业。
        周立伟的选择,源于一个成长于贫苦家庭的少年,想要尽早为家庭分忧的心声。他离开仅读了一年的高中,投考国立上海高级机械职业学校(现上海理工大学)。作为当时上海唯一一所培养中级专业技术人才的国立职业学校,那里免交学费和伙食费,对穷人家的孩子很有吸引力,竞争也异常激烈。周立伟被录取了,父亲用家中仅有的一块值钱的手表换了钱,给他买了一身校服。在那里,周立伟刻苦努力,打下了极好的机械基础。
        “我年轻时并没有想过将来要当一名教授、博导、首席专家、工程院院士等。”周立伟的理想是参军,但是因为身体原因没能入伍。上海高机毕业后,周立伟在上海公私合营华通电机厂工作。这个勤快、热情的小伙子在电机厂很受欢迎,他有很多亮点:星期天到厂里加班、俄语培训班学习考第一名、技术革新发明绕线机将功效提高7.5倍、两年内技术职称由二级助理技术员升到四级技术员??促使周立伟离开这种生活上大学却缘于一个电动机。
        华通电机厂副厂长萧心设计了一个1/2马力的电动机,要周立伟帮他出总装图和零件图。画完图后的周立伟深深遗憾自己不懂电动机原理,更不知道如何设计。“我将来一定要自己会设计电机和电表。”周立伟想。
        但他没想到的是,这样一个简单的想法会让自己和光电一辈子结缘。
        1953年,国家号召工农青年上大学,未曾放弃过读书念头的周立伟有了要进入大学充实自己的想法。6月,他被派往复旦大学参加干部补习班,经过3个月的补习,考入北京工业学院(现北京理工大学)。
        周立伟选择报考大学时,还有一段小插曲。几年前,周立伟因身体原因参军未成,北京工业学院的招生老师知道这一点,于是动员他说:“你原来想拿起武器保卫祖国,我们学校是一所国防工业性质的院校,上这所大学,将来制造出最好的武器给战士,也是保卫祖国啊。”这番话打动了周立伟,从此离开上海远赴北京。来到学校,周立伟分配到仪器系8531班,专业为军用光学仪器。“上世纪50年代的青年,思想都很单纯,想法都差不多,主要是努力学习,学好本领为祖国服务,祖国的需要就是我们的志愿。”周立伟说,服从组织需要,是他走入光学领域的起点。
        周立伟至今完好保存着求学时的学习笔记和实习笔记,翻至任何一页,字迹、绘图都如印刷品一般工整。无论多么复杂的机械制图,他都用手一笔一画精确绘制,扎实的功底和一股子认真劲儿跃然纸上。这在今天习惯于电脑制图的机械系学子看来,多少有些不可思议。
        1958年毕业时,周立伟曾要求去工厂工作,然而鉴于家庭出身、工厂经历以及在校表现,他被系里定为留校工作的第一人选。

 

坚持理想拼搏之光

 

       留校后不久,学校要求他负责筹建夜视技术新专业,并派他到北京大学进修。
        “开始时,我一点也不懂什么是红外光阴极、荧光屏、电子光学等,一些专门名词以前从未听说过。”周立伟说自己又跳转到了一个陌生的领域,基本属于物理学范畴,“但我也不怕啊,我只是想,只要努力学,哪怕比别人多花几倍的力气,也一定要把新专业建设好。”
        踏实、认真、拼搏,这些精神品质始终是周立伟攻坚克难的法宝。他一边进修,一边给学生上课,两年功夫,他写出了《电子光学理论和设计》教材,这让很多人感到惊异。
        为了攻克夜视成像器件的电子光学理论和设计,1962年,周立伟带着任务前去苏联留学。苏联导师第一次见到周立伟,为了考查他的能力,给了他三篇俄文文献,让他一个月看完之后再来汇报讨论。由于在国内已打下较好的电子光学基础,一个星期后,周立伟提出了自己的见解,写出一份文章修改意见去见导师。
        苏联导师为此大吃一惊,确定选题时,竭力邀请周立伟协助他一起搞超高频电子光学。这一研究方向是当时全世界的热门,中国尚未开始触及,导师告诉周立伟:“你跟我学,到中国可以称王称霸。”
        “跟导师合作,拿个学位没问题,但要改变出国时的志愿,学成了回去也没有用。不跟他合作,恐怕一切都要靠自己,学位不保险。”再三思量,周立伟决心不改变原定方向,要靠自己闯出一条路子,实现当初的诺言。
        超高频电子光学无疑是当时的学科前沿,为何周立伟非要继续研究夜视成像?
        “我这个人一直有个问题,就是报恩思想很浓重。”周立伟回答道,“学校培养了我,把我送到苏联,如果我不回到学校解决夜视的事情,怎么对得起学校呢?”
        在苏联,他把所有时间和精力都投入在图书馆,在寂寞的学案上读书做笔记,不懈探索着,终于在静电聚焦同心球系统的电子光学和阴极透镜的像差理论上取得突破。
        这也成为周立伟此后在宽束电子光学研究领域的重要切入口,迈出了他科学人生的重要一步。1966年4月底,苏联列宁格勒电工学院学术委员会以全票通过周立伟的物理数学副博士学位论文答辩。

 

点亮科技前沿之光

 

       1972年,周立伟才得以重返大学讲台,重新主持夜视技术教研室工作,组织教师为工农兵学员上课。他把副博士学位论文编写成《变像管与像增强器电子光学》教材,付印后用于教学。
        由于国家需要,周立伟的夜视技术研究工作也得以延续。夜视技术的关键器件是变像管和像增强器,核心问题是如何制作高灵敏度的光阴极和如何设计出高质量的电子光学成像系统。
        同年,兵器工业部要求周立伟带领一个研究组参加国内微光夜视技术的攻关会战,他与兵器工业部下属研究所的方二伦、冯炽焘等一起研究变像管和像增强器的电子光学系统计算与设计,取得了可喜的成果。
        1973年和1974年,周立伟两次被派往荷兰和英国考察夜视和像增强器技术,回国后,他撰写了两份出国参观考察报告,在其建议下,促成了我国第一代像增强器生产线的引进。
        “所有的技术秘密包括光阴极制作工艺都引进了,唯有电子光学系统设计软件包不予引进。”周立伟深知,这是因为人家希望我们只能按照他们所提供的图纸制作有限种类的像管,不希望我们具备自主设计开发的能力。
        1978年英国兰克集团在英国组织电子成像和光电子成像的两个国际学术会议,给我国外交部发来一封邀请信,指名邀请周立伟参加会议并发表学术论文。当时国门尚未开放,对周立伟能否出国出现了一番争议,后来系主任出面担保。最后由王震同志签发,5位中央政治局委员画圈,由兵器工业部和电子工业部组成一个团,由周立伟当团长,带队到英国访问。周在国际会议上发表了一篇“同心球电磁系统的电子光学”的论文,十分凑巧,参加那次会议有一位美国洛德岛大学的丘达莱教授,也发表了极为类似的文章,两人先后在会上宣读。会后,会议学术委员会由80篇宣读的论文选了40篇收录到“电子学与电子物理学的进展”第52卷文集上,把周的论文选上了,但把丘达莱的文章刷掉了。那时,党的11届三中全会还没开始开,国内还没有改革开放,这样的事没有先例。兵器工业部和学校领导很高兴,衷心祝贺周立伟为国家争得了荣誉。
        从上世纪80年代开始,他与方二伦等合作钻研,最终研制成功了ODESI-V像管电子光学系统优化设计软件包。这项研究为我国微光夜视行业由仿制到自行设计研制、独立自主开发新型夜视器件开辟了道路。
        1982年,50岁的他把青年时代的种种想法整理为10个问题,写成《成像系统电子光学若干问题的探讨》一文。到上世纪90年代初,周立伟已带领研究生解决了自己提出的10个问题,先后出版了学术专著《宽束电子光学》和《宽电子束聚焦与成像——周立伟电子光学学术论文选》。
《宽束电子光学》出版后,国内外学者均给予很高评价,被认为是一部具有科学性、创新性与系统性的著作。周立伟告诉记者,以“大物面宽电子束”以及“近轴(空间和时间)像差”等概念的电子光学体系研究是他的独创,在此前文献中都没有涉及过。
        2000年10月,诺贝尔奖获得者、俄罗斯科学院院士普罗霍洛夫在祝贺周立伟当选俄罗斯联邦工程科学院外籍院士的贺信中赞扬道:“你是自己的科学学派的创立者。”

 

闪耀理性批判之光

 

        周立伟告诉记者,科学研究第一要义是怀疑,在思考中进行理性怀疑,质疑权威,这是一种非常重要的思维品质。关于怀疑和批判精神,他讲了自己的一个例子。
        21世纪初,俄罗斯科学院普通物理研究所两位科学家邀请周立伟合作研究一个科学问题——成像系统电子光学时间像差理论。俄罗斯科学家提出了Tau变分理论来描述时间像差,但其正确性没有得到证实,而科学是讲实证的,故希望与周一起合作研究。周立伟着手研究时,先把俄文翻译成中文,并把每一个细节都弄清楚了。周立伟认为,俄罗斯学者的文章的推导和逻辑没有发现什么问题,用Tau变分的思路也是很新颖的。周立伟对我们说:“那我们从什么地方入手呢?如果按照他们的思路做,重复他们的途径,那还有什么创造性可言呢?”当时,周立伟提出了两个疑问。其一是,解决时间像差为什么走很复杂的Tau变分途径,而不走简单的路子,即由牛顿的运动方程联合电子在电场中受到的劳伦茨力进行求解的途径。其二是,Tau变分理论推导出来后,并没有足够的实例说明它是正确的,也没有足够的例子说明它是准确的,也就是足够精确的。所以打了两个怀疑的问号,一是Tau变分理论是不是正确?二是Tau变分理论是不是准确、足够精确?
        周立伟提出的第一个问题实际上是考验Tau变分理论,否定、证实、或寻找更好的理论,第二个问题是考验Tau变分理论的可信程度和它的适用性。周立伟还有一个观点是,在同一电子光学系统中,研究电子在电场中运动经历的空间轨迹和时间轨迹,也就是电子行进的空间路线和它伴随的时间,即(x,y,z,t),时间和空间是联系在一起的。因此,空间像差与时间像差应该在同一理论框架上进行研究。
        时间像差可以从牛顿方程和劳伦茨力出发来解决,这是电子光学最基本的知识,因为方程中就有时间的参量。这样一条现成的路,为什么他们不走呢?但实践表明,这个路子都没有走通,因为其中有一个二重积分都解不出来。俄罗斯人解决不了这个拦路虎,他们就另辟途径,提出了Tau变分时间像差理论。
        二重积分这个拦路虎真是解决不了吗,还是没有找到解决的途径,故突破不了。二重积分就是研究的突破口。周立伟发现,经过一个巧妙的变换,二重积分是可以求解的。于是,二重积分的拦路虎终于搬开了。周立伟依据近轴光学的性质,对时间像差和空间像差进行了定义,归纳了两条引理,最后提出了命名为直接积分法时间像差理论。这个理论演绎的结果是时间像差系数的求解可以直接用积分形式表示,而Tau变分理论提出的表示式首先要解一个微分方程,这当然困难多了,而且它仅适用于轴向电子初能为零的情况。
        事情并没有结束,现在有两套理论和公式,一个是Tau变分时间像差理论和公式,另一是直接积分法时间像差理论和公式。形式上完全不一样。研究到这一步,这两种理论孰是孰非并没有解决,故必须寻找一种途径进行严格的检验,这一步就是周立伟在“科学研究的途径”一书中讲的“演绎检验法”中排除错误。他提出一个理想模型——静电同心球电子光学系统进行检验。因为由这个理想模型可以找出电子行进的空间轨迹解析解和经历的时间解析解,可以对两种方法进行比较。最后的结果是,这两套理论是等效的,不但是正确的,而且是精确的。Tau变分理论也可以从它的微分方程找到它的积分形式,与直接积分法的形式完全相同。研究表明,新的理论-直接积分法时间像差理论包容了旧的理论-Tau变分时间像差理论。由此可见,直接积分法时间像差理论是一种更好的理论,就这样推动了科学的进步。
        这是一个典型例子,闪耀着理性批判的光辉。
        2010年,周立伟曾收到过一封来信。写信人是北京理工大学软件学院一名本科生学生。信中,这位学生向周立伟请教了“怎么样选择研究方向”、“怎样坚持自己的理想”等问题。
        在周立伟的回信中,他这样写道:“我作为老师,我不鼓励,也不鼓动学生们放下学习去搞科研,搞所谓创业。尽管有的学生甚至老师会说周老师思想保守,等等。这是我的建议。你现在是一个学生,知识和经验都不多,有梦想可以,但解决一个世界难题需要许多物质条件,包括自己知识和能力的储备,不是任何人想干就能干的。因此,首先要脚踏实地,一步一步去做,才能成功。”
        周立伟热爱学生,去年,他在校刊上发表了一篇“什么样的聪明最可贵”的文章,引起了全校学生在校刊上的热烈讨论。暑期,他还向全校同学推荐10本好书,鼓励学生们多读好书。回顾科学生涯,周立伟说自己还是有点志气的,一定要攻下宽束电子光学这个碉堡来,同时,自己所研究的也正是国家迫切需要的,具有较大的科学价值和实际意义。
        周立伟说:“作为一名科学工作者,力图使自己的研究正确描述自然界的客观属性、运动规律的本质,追求更高程度的概括,并且竭力遵循科学中的美学原则——和谐性、简单性和对称性是自己一直追求的理想。”“使宽束电子光学理论有一个完善的逻辑结构是我研究工作的出发点和奋斗的目标。” 
        对于科研和创新,已过耄耋之年的周立伟总觉得自己应该再做些什么,他说,他晚年主要的研究是把静电和电磁聚焦宽束电子光学及其像差(空间像差和时间像差)用统一的理论概括起来。“虽然我现在的思维比不上从前年轻的时候,但我还在科学的道路上,蹒跚地前进着。”周立伟说。

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2017年10月下

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