在第二屆“空間、大氣、海洋與環(huán)境光學(xué)”學(xué)術(shù)會議（SAME 2024）中，一場題為“未來已來，唯光不變”的報告引發(fā)了廣大參會學(xué)者的廣泛討論。光學(xué)作為一門發(fā)展歷史悠久的“古老學(xué)科”，已逐漸深入到各行各業(yè)的發(fā)展當(dāng)中，成為聯(lián)系多門學(xué)科交叉的“紐帶”。

在科技飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，我們該如何認(rèn)識光學(xué)？如何看待“光”在學(xué)科交叉中發(fā)揮的作用？“海上有光”大咖訪談欄目特別邀請到了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員孫勝利，由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員陳衛(wèi)標(biāo)擔(dān)任主持人，圍繞學(xué)科交叉以及對“光學(xué)”的選擇和認(rèn)知進(jìn)行深入交流。

以下為文字實錄（根據(jù)訪談內(nèi)容有所刪減）：

“唯光不變”，光學(xué)成為學(xué)科交叉的紐帶

陳衛(wèi)標(biāo)：孫院士您好，感謝您能在百忙之中抽出時間接受 “海上有光”專欄的專訪，您的工作符合重大科技前沿，獲得了同行們的高度認(rèn)可；您的研究經(jīng)歷能夠勉勵我們青年科研工作者攻堅克難，不斷向前。作為傳感探測領(lǐng)域的重要技術(shù)，光學(xué)技術(shù)在空間、大氣、海洋、環(huán)境（Space, Atmosphere, Marine and Environment, SAME）等遙感領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，也使得我們國家在這個領(lǐng)域走進(jìn)了國際的第一方陣，我們也想借SAME 2024會議的契機(jī)，針對SAME學(xué)科的問題請教您。

我們知道物質(zhì)與能量相互作用的過程中蘊(yùn)含了豐富的物理信息，而很多的信息都擁有對應(yīng)的紅外輻射特征，因此紅外的探測是非常重要的研究領(lǐng)域。但是對高空遙感來說，地面的紅外信號非常微弱，如何實現(xiàn)對這種極弱信號實時探測，是目前科技界一個非常重要的難題。

您作為紅外探測領(lǐng)域的重要的領(lǐng)軍人物，可否向廣大科技工作者簡要介紹一下，針對這種復(fù)雜環(huán)境下的極微弱紅外信號的探測，它的意義以及關(guān)鍵難題。

孫勝利：紅外這個領(lǐng)域應(yīng)該說是非常神奇，它有許多值得探討和研究的問題。剛才您提到的“微弱紅外信號的探測”，其本身就是里面最核心的前沿問題。

事實上，對“信息獲取”這件事包含兩方面的意義：一方面是做記錄，另一方面是用來做規(guī)律或信息的推演，我從事的工作主要與信息的推演相關(guān)。

在做信息推演的過程中，我們最極致的一個追求就是實現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)”。當(dāng)一個事物在它演化的早期時，其釋放的信號通常非常微弱，越早期的信號越微弱，但也越有價值，能夠為后續(xù)的應(yīng)用提供更長的預(yù)測預(yù)報的時間。這也是發(fā)現(xiàn)和捕獲早期微弱信號的價值和意義。

但想要捕獲這樣一個早期微弱信號還存在很多難點。比如在氣象領(lǐng)域，如果在臺風(fēng)形成初期就捕捉到相應(yīng)的大氣特征信號，這對于后續(xù)減災(zāi)防災(zāi)意義非常大；對于已形成的臺風(fēng)，雖然能夠記錄其完整信息，但已不具備信息推演的意義了。

如今，在微弱光學(xué)信號探測領(lǐng)域，人們已經(jīng)可以實現(xiàn)對上百個乃至數(shù)十個光子的探測。但當(dāng)這些微弱信號與復(fù)雜的背景環(huán)境混在一起時，我們對這些微弱信號的觀測就會面臨更多的問題。其中最關(guān)鍵的問題就是：如何把微弱信號從復(fù)雜的雜波中把它區(qū)分開來。

陳衛(wèi)標(biāo)：的確，如果對災(zāi)難性的天氣能夠早預(yù)報一天，就能極大降低整個國民經(jīng)濟(jì)社會的損失，這也是紅外探測領(lǐng)域必須關(guān)注的問題。您在第二屆SAME大會上為我們帶來了題為“未來以來，唯光不變”的報告。這一報告具有豐富深遠(yuǎn)的意義，我們不難發(fā)現(xiàn)：從可見光到不可見光，從超強(qiáng)的激光到超快的光學(xué)，實際上人類科技的進(jìn)步一直伴隨著對各種光場的調(diào)控能力的提升。希望您就“唯光不變”給我們一些深入的見解。

孫勝利：光學(xué)如今在空間、大氣、海洋、環(huán)境多個學(xué)科領(lǐng)域都已生根發(fā)芽，無數(shù)的光學(xué)同行通過前赴后繼的努力，將“光”的種子播向了更多的行業(yè)，因此我希望能夠在SAME2024這一盛會上做一個承前啟后的報告。

這個主題的第一層含義是指“光速”是一切物理推演模型中的不變量，“光”或許是我們所在物理世界的根本和基礎(chǔ)，“唯光不變”指的就是這樣的基礎(chǔ)不會變。

那么我的報告主題中“唯光不變”表達(dá)的第二層含義就是指：光與物質(zhì)相互作用是人類獲取信息的基礎(chǔ)，光學(xué)探測是人類推演規(guī)律、發(fā)現(xiàn)新事物的終極手段。我們回想一下：比如光的微弱信號探測，包括主動被動遙感相結(jié)合，在若干年以前真的都像科幻一樣，但是現(xiàn)在都來到了我們的面前。那么我們再將目光投向未來，我們該如何從蛛絲馬跡中發(fā)現(xiàn)極端天氣或極端事件的端倪，進(jìn)行這些探測的終極手段依然無法離開光學(xué)技術(shù)。

“唯光不變”的第三層含義是指幾百年來科學(xué)界一個長盛不衰的議題就是對“光的本質(zhì)”的研究。愛因斯坦就曾提出一個問題，光是波還是粒子，它究竟是什么？如今，我們常常用“波粒二象性”來描述光子，但這樣的描述似乎還是不完備的。還有人提出光子是否具有智能？直覺上回答，光子就是一種能量形態(tài)，肯定是不具備智能的，但大量光子又會涌現(xiàn)出一些新的特征，這或許暗示著其背后還有更深層次的秘密。總之，人類對光的探索是無止境的。

我在大會上以“唯光不變”為主題做報告，也是希望能拋磚引玉，讓大家形成一種探討，讓參會專家學(xué)者們能夠百花齊放。

陳衛(wèi)標(biāo)：我們知道光學(xué)本身是一個很古老的學(xué)科，我們舉辦SAME大會也同樣是希望將這樣一個古老的學(xué)科交叉融入到新的領(lǐng)域里、發(fā)出新芽。SAME大會更加注重光學(xué)在空間、大氣、海洋、環(huán)境等領(lǐng)域的交叉探索，您能給我們講講除了這4個領(lǐng)域，我們還可以在哪些交叉科學(xué)領(lǐng)域，利用光學(xué)技術(shù)開展一些新的前沿探索。

孫勝利：這是一個大問題，也是一個我心目中的終極性問題。

從傳統(tǒng)視角上看，光學(xué)可以直接用于獲取信息，而僅僅關(guān)于獲取信息，光學(xué)可交叉的領(lǐng)域就是無窮無盡的。但反過來思考，“光”同樣可以用來改變物質(zhì)和能量的結(jié)構(gòu)，比如說用于先進(jìn)制造，用于改變大氣的某一個臨界態(tài)，用光觸發(fā)能量（激光聚變）等等。我十分欣賞上海光機(jī)所在強(qiáng)激光領(lǐng)域的工作，如今高功率激光器已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，未來強(qiáng)激光或許還可以用于誘導(dǎo)更大尺度上物質(zhì)的變化，這將為人類帶來一個無盡的寶藏。

陳衛(wèi)標(biāo)：近期科技界大家都高度關(guān)注人工智能，說人工智能在各行各業(yè)都發(fā)揮了很重要的作用。在我們遙感領(lǐng)域里，也蘊(yùn)藏著一個全球尺度的大數(shù)據(jù)，或許也能引爆人工智能的應(yīng)用。站在您的學(xué)科領(lǐng)域，你怎么來看待人工智能和遙感光學(xué)的結(jié)合？

孫勝利：人工智能最近非常之熱，我們也都享受到了它的便利，無論是對我們科研范式的改變，還是對生活帶來的一些方便，都比較實在的能感受到。我們不可否認(rèn)人工智能是促進(jìn)科技進(jìn)步的一個動能點。

但是作為一個研究人員，我習(xí)慣用演化的思維去思考人工智能的盡頭在哪，如今的人工智能算法其實還沒有打破圖靈機(jī)的范式，那么人工智能要達(dá)到的終極是什么？有人做過一個基本的計算，比如要實現(xiàn)準(zhǔn)確的天氣預(yù)報，就要獲得大量的數(shù)據(jù)，那么就必須配套大量的計算和能源供給。最終的結(jié)果就是：在不突破圖靈機(jī)這種計算范式的條件下，所耗費的能量恐怕要把地球燒起來，是根本無法實現(xiàn)的。

從光學(xué)的角度看，“光”在這里面所起的作用其實在運算能力上，“光”的超快和超低功耗特性還沒有得到有效的發(fā)揮。

不過從更本質(zhì)上說，圖靈機(jī)的終極計算范式也是存在爭議的：人類是沿著現(xiàn)在數(shù)字信號的范式走向勝利或是滅亡，還是改變范式回歸自然，用自然的計算（即模擬信號）來實現(xiàn)圖靈機(jī)？盡管爭論一直存在，但是我覺得正是這些爭論讓我們科技界保有生機(jī)，讓我們的光學(xué)和光子學(xué)能夠更加蓬勃地發(fā)展。

不負(fù)初心，堅持深耕自己熱愛的事業(yè)

陳衛(wèi)標(biāo)：科技一直是一個不斷發(fā)展，不斷探索，否定和再否定的過程。

您在科技界也做了很多的工作，也獲得了很多獎項。您曾在2018年獲得中國航天基金會頒發(fā)的錢學(xué)森杰出貢獻(xiàn)獎，這一獎項正是對您甘坐冷板凳，一心只為攻克重大難題的表彰。您能否分享一些小故事激勵和啟發(fā)一下青年科研工作者該如何面對今后科技攻關(guān)中遇到的難題和“硬骨頭”。

孫勝利：其實對這個問題我始終是一個觀點：就是一代人有一代人的使命，每個人的最終使命都是無法預(yù)知的。對于每一個青年科研人員所選擇的研究方向，既有必然性，也有偶然性。無論是選擇了哪一個方向，只要深入的把它做好，做到問心無愧，那么最終就一定能有所貢獻(xiàn)，也能讓自己樂在其中。

最近的一個例子是最近國家科技發(fā)明獎的初評公布了，其中有一個是“集成電路化學(xué)機(jī)械拋光關(guān)鍵技術(shù)與裝備”。事實上，“拋光”是光學(xué)領(lǐng)域里一個古老的工藝，很多高校都把這項技術(shù)從光學(xué)學(xué)科里拆掉了，而清華的幾位教授就持續(xù)地在做這方面研究，他們立足于半導(dǎo)體集成電路這一國家急需的關(guān)鍵領(lǐng)域，把拋光做到了極致，這一成果目前也通過了國家科技發(fā)明一等獎的初評。

我雖然和這幾位教授不認(rèn)識，但我對他們的工作非常敬佩，覺得在遙遠(yuǎn)的空間中產(chǎn)生共鳴。其實一個學(xué)科不存在古老與先進(jìn)這樣片面的劃分，每一門技術(shù)或是學(xué)問都值得深入的探討和研究，通過大量的努力和積累嘗試揭開它們一層層的面紗。從這個角度看，因為科學(xué)是沒有止境的，所以我們每一代人其實都可以找到值得挑戰(zhàn)的問題。

比如我認(rèn)識幾位上海交通大學(xué)做材料學(xué)研究的教授，他們面對鋁合金這樣一個非常古老的材料，也能夠把它做到極致，從里面挖掘出無窮無盡的發(fā)明和創(chuàng)造。再比如說沈陽金屬所的李殿中院士專門研究對不銹鋼等金屬材料的各種調(diào)制，這也是一個非常成熟的行業(yè)，但是由于他能持續(xù)的深挖里面的科學(xué)問題，就可以在面對一些重大應(yīng)用問題時找到一線生機(jī)。

對于我自己來說，如果能再給我30年，那么我可能希望能再多坐一會冷板凳，再思考一些更深入的問題，比如說光究竟是什么，怎么提高靈敏度、噪聲與信號的相互作用。

得益于國家科研事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我最大的幸運是在坐冷板凳的過程中從來沒有缺過科研課題，即使在最低谷的時候仍然能夠有比較豐富的支持，這些支持都是非常寶貴的。當(dāng)然，我也有很長一段時間疲于應(yīng)對各種項目的申請，這在一定程度上也會對基礎(chǔ)問題的思考產(chǎn)生一些負(fù)面的作用。

陳衛(wèi)標(biāo)：俗言道：“干一行，愛一行?！本腿缒f，光學(xué)雖然是一個古老的學(xué)科門類，但是你只要深耕在這個領(lǐng)域里，肯定還能找到一些新的發(fā)展點。但是對現(xiàn)今的科技工作者來說，有時候也很難做出抉擇，因為越是深入和精細(xì)的研究可能越需要長期的摸索和探索，這樣“難而苦的獨行”可能會消磨掉很多人的熱情。

假設(shè)您再年輕30歲，你是否會選擇一個不一樣的事業(yè)，還是會繼續(xù)選擇高難度的高科技事業(yè)？

孫勝利：如果時光能倒流，并且能夠自由選擇，那么我還是會選擇光學(xué)作為我的事業(yè)。主要有兩個原因，一是我覺得光學(xué)確實是非常有意思的，我很熱愛這門學(xué)科；另一方面，我認(rèn)為光學(xué)能夠為社會創(chuàng)造價值，并得到社會認(rèn)可。

事實上，對個人職業(yè)生涯或者研究方向的抉擇，可能需要一個學(xué)生在大學(xué)甚至高中就有所思考。對于我們這代人，我覺得當(dāng)時能擁有的選擇就很少，但思考人生方向的時間并不少，另外我們的家長也不太干涉我們，不會要求我們上各種補(bǔ)習(xí)班，也不會經(jīng)常談要考什么好的大學(xué)，這樣的成長環(huán)境又給了我們更多自由思考的時間。就我自己來說，我的學(xué)生時代選擇余地不是太大，但是受約束的也不是太大，這和現(xiàn)代年輕人的成長環(huán)境是有本質(zhì)差別的。

陳衛(wèi)標(biāo)：每個時代都有獨特的機(jī)遇和時代需求，我們國家在當(dāng)前這個時代，對科技創(chuàng)新有迫切的需求，您作為一個卓越的科學(xué)家，能否向我們的年輕人分享一下您是如何保持對科學(xué)探索矢志不渝的熱情，是如何保持如此旺盛的求知心的？

孫勝利：我覺得比較關(guān)鍵的是從自己身處的環(huán)境中汲取力量。首先我極其幸運，周圍工作的同事和學(xué)生都是一些持續(xù)的有探索精神的人，我和我周圍的人相互影響，產(chǎn)生良好的互動?！跋嗷ゼ睢贝蟾攀且粋€復(fù)雜生物體所組成的智能社會的一個自然現(xiàn)象。

就在前兩天研究生的錄取季，一位同學(xué)就激勵了我：按照現(xiàn)在遴選標(biāo)準(zhǔn)來說，這位同學(xué)的本科院校其實比較普通，并且考分也比較普通，但是他競賽成績很好，實踐能力很強(qiáng)。他很想來我這讀研究生，并且在面試前，他就對我所做的工作做了調(diào)研，考慮了報考研究生會遇到的問題，他具有一種一般學(xué)生身上不多見的主動。事實上，科研工作非常需要對這種“主動性”，正是他的積極主動感動了研究生部老師，在政策允許的條件下爭取到了錄取名額。從與這位學(xué)生的接觸就讓我得到了一種反饋：我們要積極地面對每一次可能的不順，用自己的努力去抵御人生道路中的不確定性。

我的人生經(jīng)歷中充滿了這樣的反饋以至于形成了自己的一種自然反應(yīng)：生命總歸是不確定的，那么坦然接受每一種結(jié)果，通過不斷的努力削弱不確定性，并向自己的目標(biāo)前進(jìn)。所以從這方面看，我對科學(xué)探索的熱情更多的來源于自己身處的環(huán)境。

在每一個大環(huán)境中，個人是很渺小的，很容易被環(huán)境所影響，學(xué)會從環(huán)境中汲取力量就是我的經(jīng)驗和認(rèn)識。

“海上有光”系列訪談

“海上有光”是中國激光雜志社微信號10周年之際創(chuàng)辦的特色談話節(jié)目，每期邀請行業(yè)專家，匯聚光學(xué)與交叉學(xué)科的領(lǐng)軍科學(xué)家力量；圍繞光學(xué)熱點話題進(jìn)行討論，注國家重大需求與舉措，交流科學(xué)議題與觀點，傳遞科學(xué)理性與智慧，是集中展現(xiàn)光科學(xué)影響力的高端交流平臺。