日本頻獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的奧秘

陳言

日本最著名的汽車企業(yè)——豐田公司總部設(shè)在愛知縣名古屋市，這里到現(xiàn)在也依舊有一座古城“名古屋城”，私立大學(xué)“名城大學(xué)”就在名古屋市東部。名城大學(xué)與名古屋大學(xué)、豐田公司、兄弟工業(yè)公司等一起，是日本中部地區(qū)的驕傲。

10月7日晚，名城大學(xué)終身教授赤崎勇、原名城大學(xué)教授（2010年調(diào)任名古屋大學(xué)任教授）的天野浩及原日亞化學(xué)工業(yè)公司研究員（2000年去美國加利福尼亞大學(xué)任教授）的中村修二，三人共同獲得2014年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的消息傳來后，名城大學(xué)主樓當(dāng)即就懸掛出了“慶祝赤崎勇教授榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng)”的6米長白底黑字標(biāo)語。樓前聚集了大量來祝賀的人。

“2009年，赤崎教授獲得京瓷公司頒發(fā)的京都獎(jiǎng)以后，我們相信摘取諾貝爾獎(jiǎng)只是個(gè)時(shí)間問題。校方提前準(zhǔn)備了慶祝用的標(biāo)語，每次諾獎(jiǎng)公布獲獎(jiǎng)人名單的時(shí)候，大學(xué)都會(huì)派人在學(xué)校守候，就盼著這一天了?！泵谴髮W(xué)經(jīng)營系主任澀井康弘對(duì)《中國新聞周刊》說。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著LED（藍(lán)光二極管）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速壯大起來。家庭中的照明、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等等，LED無處不在。諾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在頒獎(jiǎng)詞中說：“白熾燈照亮20世紀(jì)，而LED等將照亮21世紀(jì)?！?/p>

LED中的紅光在上個(gè)世紀(jì)60年代已經(jīng)開發(fā)了出來，之后綠光也研發(fā)出，但只有藍(lán)光一直被認(rèn)為是不可能開發(fā)出的光色。從上個(gè)世紀(jì)80年代末期，赤崎教授等研究學(xué)者找到了發(fā)藍(lán)光的方法，緊接著中村研究員研究出其工業(yè)化大量生產(chǎn)的模式，為LED照亮21世紀(jì)奠定了基礎(chǔ)。

離日常生活最近的一項(xiàng)重要發(fā)明

諾貝爾獎(jiǎng)的創(chuàng)建者，阿爾弗雷德·諾貝爾在自己的遺囑中說，自己死后請后人創(chuàng)立一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，“獎(jiǎng)勵(lì)那些為人類帶來巨大恩惠的人物”。本次瑞典皇家科學(xué)院在物理學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)文書中說，藍(lán)色LED“是給人類帶來最大恩惠的發(fā)明”，這樣的贊美并不是所有獲獎(jiǎng)?wù)叨寄軌虻玫降摹?/p>

“赤崎教授、天野教授獲獎(jiǎng)，早就在預(yù)料之中。”中國科學(xué)院物理研究所陳弘研究員對(duì)《中國新聞周刊》說。2007年，陳弘曾邀請赤崎及天野兩位教授來物理所演講，赤崎教授因?yàn)楦啐g，未能成行，天野來到中國演講，并和物理所的相關(guān)研究室進(jìn)行了交流。陳弘是新型化合物半導(dǎo)體課題組長，對(duì)LED材料進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)方面的研究，與赤崎、天野是同行。

作為取代白熾燈的LED燈，首先在住宅照明中開始使用的是東芝公司。東芝博物館展示的內(nèi)容顯示，2007年，該公司已經(jīng)生產(chǎn)出LED電燈，新型電燈比以往的白熾燈節(jié)能，而且使用壽命特別長。

LED燈的使用壽命大致為4萬到6萬小時(shí)，通常一只燈能夠使用10年以上，是白熾燈的20到30倍，比熒光燈也要長3到5倍。從電力消耗上看，LED燈是白熾燈的1/6，熒光燈的1/2左右。在形狀上可以做成球型，也可以做成熒光燈等長型的，在尺寸、形狀各個(gè)方面均優(yōu)于其他材料的電燈。

由于有節(jié)電特點(diǎn)，日本在2011年大地震后，使用LED燈已經(jīng)成為社會(huì)的共識(shí)，到2020年，日本將全面改用LED，取消其他材料的照明方式。《中國新聞周刊》記者前不久采訪東芝設(shè)在杭州的LED燈工廠時(shí)，工廠負(fù)責(zé)人介紹說，“中國等國家也將普及LED燈，我們的生產(chǎn)能力在不斷擴(kuò)大?！?/p>

日本對(duì)LED市場有過一項(xiàng)調(diào)查，2013年世界市場的規(guī)模大致為200億美元，到2020年將增加到700億美元上下。這個(gè)銷售數(shù)額，在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邉?chuàng)造的實(shí)際利用獲益中，比較少見。

2002年因發(fā)現(xiàn)宇宙中微子和宇宙X射線源的小柴昌俊教授，在聽到赤崎等人獲獎(jiǎng)后說：“我是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)微子而獲獎(jiǎng)的，但這實(shí)在對(duì)現(xiàn)實(shí)生活沒有什么用處。他們的發(fā)明則已經(jīng)在社會(huì)實(shí)踐中派上了用處?！睂?shí)用，是這次赤崎等教授獲獎(jiǎng)的最大特點(diǎn)。

明確的實(shí)用研究及工業(yè)化目標(biāo)

“非常明確的研究目標(biāo)，不單純以論文數(shù)量來評(píng)價(jià)研究人員，不隨大流，該是日本物理學(xué)研究的一個(gè)很大特點(diǎn)。”在分析為何近年有大量日本學(xué)者摘取諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，中科院物理研究所陳弘研究員對(duì)《中國新聞周刊》說。從1949年日本湯川秀樹獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)至今，日本的物理學(xué)家已6次獲得該獎(jiǎng)。

從赤崎勇教授的簡歷上看，他在日本都算不上正統(tǒng)研究人員。戰(zhàn)前他在軍工廠工作，戰(zhàn)后，總算有了進(jìn)京都大學(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，但大學(xué)畢業(yè)后并未直接上碩士、博士，而是進(jìn)了神戶工業(yè)公司（后改名為富士通公司）工作。工作一段時(shí)間后，又去了名古屋大學(xué)讀碩士、博士，畢業(yè)后當(dāng)了一段教師，后跳槽去了企業(yè)，到松下電器公司的研究所搞研究。但他仍不甘于在企業(yè)工作，再次回到名古屋大學(xué)當(dāng)上了教授，后轉(zhuǎn)到私立的名城大學(xué)。

日本的教育制度允許赤崎這樣的研究者，不斷在企業(yè)、大學(xué)之間穿梭。赤崎的論文，和那些一直在大學(xué)里埋頭研究、寫作論文的學(xué)者比，數(shù)量簡直少得可憐，但是他竟然也能在大學(xué)做下去，而且一直保有教授的職稱。

陳弘說：“日本的研究特點(diǎn)是，根據(jù)目標(biāo)定人。規(guī)定好了一個(gè)目標(biāo)后，就去尋找能夠完成這個(gè)目標(biāo)的研究家，完成目標(biāo)是唯一的方向，至于論文數(shù)量多少，并不是大學(xué)、研究機(jī)關(guān)追求的重要目標(biāo)?！?/p>

在上個(gè)世紀(jì)80年代，研究出藍(lán)光LED成為一些大學(xué)的研究方向后，赤崎也承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)。誰都知道，氮化鎵的結(jié)晶是很難生成的，赤崎就一門心思鉆營氮化鎵。自己力量不足，他讓學(xué)生跟著一起做。天野浩就是這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)在赤崎辦公室的。師生兩人到了1989年終于找到了生產(chǎn)結(jié)晶的條件。

另一方面，在企業(yè)里從事研究的中村修二，專心研究的也是大量相關(guān)結(jié)晶的方法。中村在日亞化學(xué)公司有自己的辦公桌，但人們發(fā)現(xiàn)他桌子上一本專業(yè)書也沒有?！耙亲x了別的學(xué)者的論文、著作，自己就想去模仿，那樣的話絕對(duì)找不到劃時(shí)代意義的研究方法?！敝写逭f。

赤崎、天野大多數(shù)時(shí)間在大學(xué)里以教授身份做研究，工資收入是有所保證的；在企業(yè)從事研究的中村，情況就大不一樣了，如果能開發(fā)出讓企業(yè)賺錢的新產(chǎn)品，公司不會(huì)說什么的，一旦開發(fā)不出來，而且事故不斷的話，就算老板不說話，上司也不會(huì)答應(yīng)。

“你什么時(shí)候辭職呀？”中村的上司時(shí)不時(shí)會(huì)提醒他一下。“憤怒是我繼續(xù)研究下去的源動(dòng)力?！敝写逶诘弥约韩@獎(jiǎng)后，這樣總結(jié)自己的研究過程。有了明確的目標(biāo)后，人有時(shí)需要有中村那種的憤怒，讓憤怒成為研究下去的動(dòng)力。

中村從研制材料開始，到最后能獨(dú)立完成制造發(fā)光二極管的全套裝置，在不引進(jìn)其他公司技術(shù)的情況下，完成了GaAlAs單結(jié)晶的制造技術(shù)，讓LED完全成熟。

大學(xué)里的實(shí)用研究與企業(yè)的工業(yè)化研究天衣無縫地結(jié)合在了一起，這種結(jié)合不僅讓企業(yè)獲得新的發(fā)展機(jī)遇，也讓日本研究學(xué)者脫穎而出。

日本企業(yè)肯支持耗資巨大的研究

在談到實(shí)用研究中企業(yè)的作用時(shí)，陳弘向《中國新聞周刊》強(qiáng)調(diào)了豐田合成公司與日興化學(xué)公司的作用。

豐田合成是在1986年開始研發(fā)LED的。當(dāng)時(shí)僅僅從赤崎的一個(gè)演講會(huì)上聽說他在開發(fā)藍(lán)色LED，時(shí)任總經(jīng)理的根本正夫便決定和赤崎合作，“我們一起開發(fā)吧?！备菊?qū)Τ嗥榻淌谡f。

這種合作雖然有明確的商業(yè)化目的，但風(fēng)險(xiǎn)很高。當(dāng)時(shí)赤崎研發(fā)出的制作方法讓藍(lán)光看上去更近似已有的綠光，他想改變顏色，在添加新原料后，成品率僅有1成左右。

LED的關(guān)鍵氮化鎵的結(jié)晶，要找到相關(guān)方法非常的困難。在豐田合成負(fù)責(zé)相關(guān)業(yè)務(wù)的太田光一回憶說：“那時(shí)我們公司沒有專家，并不知道這么難，因?yàn)闊o知，才一直這么做下來的?！?/p>

中村的情況大同小異。日亞化學(xué)內(nèi)部對(duì)中村的評(píng)價(jià)一直不高，說他吃干米飯的人越來越多，但中村竟然在這個(gè)時(shí)候向總經(jīng)理提出要繼續(xù)研發(fā)LED，同時(shí)提出希望能去美國留學(xué)。“沒過5秒鐘，小川信雄總經(jīng)理竟然就同意給我研究費(fèi)，也準(zhǔn)許我去美國了。至今我都非常感謝他?！敝写逶讷@獎(jiǎng)后，感謝了在那樣的環(huán)境下，企業(yè)能夠支持他的研發(fā)。

正是因?yàn)槿毡居锌显谄閸缧÷飞喜粩嗯实堑难芯空?，有不?jì)成本肯支持研究的企業(yè)，讓LED藍(lán)光的發(fā)現(xiàn)成為可能，也有了在700億美元LED市場中的領(lǐng)先地位。如今豐田合成、日亞化學(xué)均在LED市場上獲益豐厚，兩家企業(yè)均在LED方面每年有數(shù)億美元以上的收入。