复旦大学“老教授谈教书育人”专栏（三十四）顾昌鑫：我与电子物理和计算物理学的不解之缘

1956年夏，我从上海市川沙中学高中毕业，就面临着填报高考升学志愿。当时，我的哥哥顾昌耀已经考取并就读于清华大学的航空系，受到他的影响，我就一直向往着能够到工程师的摇篮——清华、交大求学，实现成为工程师、建设祖国的理想。

当年，又适逢周恩来总理向全国发出“向科学进军！”的伟大号召，号召广大知识分子、青年学子，投身到努力推动我国科学技术发展、建设祖国的伟大事业中去。正是在这个号召的感召下，更加坚定了要报考理工科的想法，希望将来自己能为把我国建设成世界科技强国贡献出自己的一份力量。而在填报高考升学志愿时，我的班主任夏明德老师也给出了他的意见，他认为本人的逻辑思维较好，遇到问题又喜欢思考钻研，从性格特点上来说比较适合读理科，于是，在夏老师和其他老师的指导下，我决定报考复旦大学的物理系，总算以优良成绩被这所江南著名高等学府、全国重点大学录取。

怀着学好本领、报效祖国的志向，我进入了复旦大学物理系，经过三年的本科学习之后，国家进入了为实现总路线、国民经济蓬勃发展的“大跃进”时代，这是个激情燃烧的火红年代，要求高等教育、科学研究也要“大跃进”，掀起了大搞科研、进军尖端科学、创建新专业的热潮。于是校、系领导从我们年级两百多个学生中优选了部分学生组成科研组，时称“预备教师”，进入实验室与老师们一起搞科研。我有幸被选为“预备教师”，根据当时筹建新专业的需要，进入了物理系华中一教授领导的科研组。由此开始了半个世纪的科研教育生涯。现在想起来，参加到这个专业方向从事科研教学工作，更多的是国家的需要。

回顾我几十年的教学科研路，要感谢的师长很多，但我最要感谢的就是华中一教授和谢希德教授。

一

我自1958年当预备教师起，跟着华中一教授一起工作了近半个世纪，可以说是华教授领导的教研组里和他共事最久的学生。

上世纪50年代末60年代初，国际形势相当严峻。激烈的军备竞赛使得远程雷达及微波通信导航设备和器件成为保障国家安全的重要军事装备。在华先生的提议下，开始了我在电子物理领域的第一个课题的研究，就是根据国家国防和军事上的需求和当时实验室本身条件，参与并开展波长为10厘米的低噪声行波管研制，这是一种用于远程雷达的微波电子管。当时，国际上主要是美国这方面的研究正方兴未艾。为此，组建了一个课题组——低噪声行波管研究小组（由高一级的学生也是预备教师的沈学础任组长，现为中科院院士）。与科研组成员一道，经过精心设计，日夜奋战，攻克了电子枪组装等技术问题，约在1960年研制成功了10厘米多极电子枪低噪声行波管，当时在国内尚属首创。让刚进入实验室科研工作的我受到很大鼓舞，由此对微波电子学中电磁场与电子波相互作用的奥秘产生了浓厚的兴趣。

1961年毕业后留校任教，当年就开设了“微波电子管”、“微波电子管原理与设计”等专业课程，编写了用于本专业的《微波电子管》、《微波电子管原理与设计》讲义。

华先生领导的实验室研究团队1960年被评为上海市文教先进集体。随后在科研工作的基础上，根据国家创建新专业的需要，受学校委托，华先生作为学科带头人，创建了电子物理专业、组建电子物理教研室。当时提出的任务是“创造性地研究无线电的心脏部分——电子器件内的各种过程，并培养这方面的人才”，同时，与无线电技术专业组建成立新系——物理三系，亦称无线电电子学系。（后因国家调整，回并到物理系）。

到了70年代初的特殊时期，大部分科研工作停顿了，但是与国防军事需要有关的项目没有完全停止。当时，上海市的一个重大国防工程项目“红四工程”的子项目远程警戒雷达中一个重要器件——波长3厘米功率行波管的研制，急需在规定期限内完成。这是一种用于功率放大的微波电子管。由复旦和某工厂组成的原研制组,技术上遇到了很大困难，无法在规定的时间内完成研制任务，影响了整个工程的进展。当时的校领导邀我参研，于是临危受命，全力以赴，经过日夜奋战，终于攻克关键技术，早于规定期限研制成功，而且输出功率大大超过预计的指标，高质量完成了任务。这是我科研生涯中最值得留忆的事情之一。感到欣慰的是为国家作出了一些实质性贡献。直到现在，这类功率行波管，还广泛应用在远程雷达、卫星通信等领域，尚没有其他的器件可以取代。

我对电子物理领域的微波电子学的浓厚兴趣，不仅因为它跟我们国防安全、军事工业密切相关，而且在探索和完善电子束与电磁波相互耦合的理论中有无穷乐趣。电子物理、微波电子学在当年是非常热门的一个学科，在军备竞赛非常激烈的那个年代，其研究竞争的程度，不亚于当前如信息、智能技术等热门科技，这也侧面体现出了我们这个专业的重要性和创建的必要性。 

另外还有一件值得一提的事情是我曾经参与了激光大气通信的后期研究工作，并取得了成功。这也是一个军工项目，是为了建立大陆与海岛军事基地之间的保密通信而设立的研究项目。激光大气通信可以实现两地通话和信息传输，保密性非常强，正好符合陆岛之间的军事通信。

当时上海还未高楼林立，激光可以从物理楼最高层六楼直通到上海市中心的最高建筑国际饭店顶层。基于前期工作成果，参与的科研组在红外激光大气通信实验研究上有了很大进展，成功地实现了两地清晰通话。

1972年初夏，诺贝尔物理奖得主杨振宁教授访问复旦，校方安排杨先生参观激光通信科研组，我们邀请他参与了物理楼与国际饭店之间的激光大气通信、通话实验，留下了深刻印象。此后，我们还做了一系列的各种气候条件下的激光大气通信的实验，获得了大量有价值的实验数据，有助于以后的深入研究。我们后期研制出的红外激光通信装置已经可以达到相当远的距离，最后我们的激光通信实现了上海吴淞地区的最高建筑（消防队瞭望塔）一直到崇明堡镇消防瞭望塔之间、直线距离达22公里的通信。在当时已属先进水平。 

时间进入到了“特殊时期”后期，高校正尽快全面恢复科研工作。为改变国防和国计民生急需、但国内仍十分落后的夜视、电视显示和摄像管等电子束器件技术落后的状况，我们在国内较早开展了电子光学和电子束器件的CAD（计算机辅助设计）的研究，对真空条件下的电子束的运动情况进行计算机模拟研究，对摄像管、显像管的电子枪、电子光学系统进行CAD和最优化设计，取得重要进展。当年华先生与我们在我校数学系600号楼719机房内亲自上机操作、通宵达旦运算的景象，至今仍然在复旦理科年长的教师中传为美谈。我们还将有关科研成果反映在电子光学专业教材中，提高了教材水平与课程质量，具有显著特色。我们复旦电子物理专业是我国高校中率先开展电子光学CAD研究并开设相关课程的单位。主持的研究项目“电子光学CAD和最优化设计问题”获1986年国家教委科技进步二等奖（奖状隔年颁发）。这是改革开放新时期较早获得的国家教委科技进步奖项。在十多年教学实践和科研工作成果基础上，编著出版的专著《电子光学》（与华中一合著、本人执笔）荣获1995年国家教委第三届高校优秀教材一等奖和上海市高校优秀教材一等奖。

华先生担任复旦大学副校长、校长长达十年之久，为复旦作出了重要贡献，他还用其一生为复旦筑起了一座真空科学与技术的丰碑。

华先生最值得称道的是，他卸任校长回到教研组后，依然极其专注、精力充沛地投身到科研和教学中去。心无旁骛，始终保持教师本色和科学家的风范。

二

下面谈一些关于我在计算物理方面的科研和教学工作。

计算物理学这一领域的科研和教学工作，我是在我国进入改革开放新时期开始的。谢希德教授是引领我步入计算物理学领域的恩师，当年我就是在谢希德教授的授意、指引下，考虑到前期的工作基础、个人的兴趣和当时教研组的研究环境，开始了计算物理方面的科研、教学工作。当时我们电子物理专业师生和教研室还隶属于物理系。

谢先生在任期间，每年都会参加美国物理学会举办的三月年会（March Meeting），这是物理学领域一个极为重要的国际学术会议，会上讨论的都是当前物理学领域研究前沿的最新成果和发展趋势。她回国后，总是百忙之中尽快抽出时间报告、介绍会议概况和重点亮点，报告会场场爆满，座无虚席，气氛热烈，是当年物理系一道亮丽风景。

在上世纪80年代初的一次美国物理学会年会的三月会议上，出现了大量计算物理、计算材料科学方面的报告和论文，谢希德教授由此高瞻远瞩地指示，在复旦也应开展计算物理学方面的研究，创建计算物理学科。由于我早期在电子光学和电子束器件的CAD（计算机辅助设计）和最优化设计方面的研究有些心得，有些成果，而其中的带电粒子在真空条件下电磁场中运动规律的模拟和计算，本质上属于计算电子物理学的范畴，属于计算物理学一个分支领域，有一定的前期工作基础。考虑到学科建设的需要，谢希德教授建议我跟表面物理研究室的张开明教授学习、开展计算物理的教学和科研工作，并具体指示我开展基于同步辐射加速器的物质微观结构的XAFS (X射线吸收精细结构)实验研究与实验数据的计算机分析和处理的研究。由此，开始了计算物理学的教学、研究工作，开启了我教学、科研生涯的新征程。

本人所著《计算物理学》（2010年版）被选列为国家级“十一五”规划教材，并且获得中国大学图书优秀教材二等奖奖（2013年）。该著作不仅内容有相当大的扩大和深化，而且列有一些近年的研究成果，其中包含有我指导的研究生们的贡献。

1985年初，用了一个寒假，张开明教授与我合作编写的《计算物理学》，是国内第一本正式出版的高校研究生教材，获得了上海市优秀图书二等奖。张开明先生提携后辈，在计算物理教学研究工作方面给了我许多指导和帮助，深受教益。

现今随着近代科学技术的迅猛发展，特别是计算机科学与信息科学技术的飞速发展，计算物理学在物理学中三足鼎立的地位被越来越重视和确认。可以毫不夸张地说，理论物理学如果没有计算物理学的应用，就很难用传统的解析演绎的方法对复杂体系进行深入的研究；实验物理学如果没有辅以计算物理学的方法和手段对实验结果和海量数据进行分析和处理，就难以甚至无法得出有用的物理信息。特别在当今大数据时代，在近年形成的新学科——大数据科学中，计算物理学的重要性日显突出，已成为人们的共识。

总之，在我复旦从教的人生道路上， 前30年(1961-1991)在物理系、后约20年在材料科学系任教，谢希德教授和华中一教授两位复旦大学校长对我有深刻的影响。有缘在华中一教授的领导下工作，长年耕耘在电子物理学领域，共事近半世纪；有幸有谢希德教授指引我步入计算物理学领域，开拓新的研究，使我的教学、科研生涯进入新的阶段。惟有铭记师恩，努力工作，以报恩师春晖。

耕耘教坛近半个世纪，我觉得对于科研、教学工作的坚持来自于两点：浓厚的兴趣爱好与坚定的信念——坚信自己所从事的专业一定是对国家和社会有用的。

我始终认为教学科研工作是需要长期坚持和长年积累的，不能够赶时髦、追潮流。从科学的发展历史看，各学科的发展是相互促进、相互依赖的、相互补充的，是互为主配角的；从研究热点看，有时他处高峰、你在低谷，有时相反，是峰谷交替的。例如，同步辐射加速器是当代进行材料科学、生命科学和物理学、化学等基础学科深入研究的必备的科学装置，而它本质上是一个庞大的电子光学仪器，电子在储存环中聚束成形、高速运转，包括电子发射系统（电子枪）、电子聚束系统（电子透镜、磁四极透镜）、电子束偏转系统等，是传统电子光学原理、电子束物理与技术的具体应用。类例颇多，毋用赘言。

所以科学研究贵在坚持。要守得住清贫、耐得住寂寞。所谓“板凳要坐十年冷，文章不写半句空”。科研既需思想活跃、又应认真踏实，更不能弄虚作假。长期坚持、踏实工作、必有所获。

科学研究固然有未能解决问题的苦恼，但更有攻克难题取得成功的兴奋和乐趣。在探索自然界的奥秘中获得成功的快乐，将是无法用言语表达的。这恐怕就是科研工作者兢兢业业坚持不懈的动力，支持我一直致力于我感兴趣的领域，没有逐流跟风。

作为一名教师，我更深的体会是，大学教育根本上是人品的教育，立德树人。人的一生是不断学习探索、不断自我修炼完善的过程，希望学生们成为正直善良、敬业乐群、对国家和社会有用的人才。我相信未来我们国家的科研环境会越来越好，能让青年才俊把才能都发挥在科学研究上，取得更大的进步和成就。

值得欣慰的是，我的博士生、硕士生由于他们的勤奋努力都成为相关领域的翘楚和领军人员，多数成为所在领域或行业的中坚，有担任世界500强之一的一家大公司的亚太地区技术总监的，也有一位品学兼优而出任上海名校的教务领导的。当年初衷犹在怀，更喜桃李青胜蓝!

我在材料科学系三十周年成立庆典上作为教师代表发言时，曾即兴写了一首诗:

粉笔一枝教书匠，

清风两袖习文章。

三尺讲台任平生，

喜育桃李作栋梁。

诗属打油，聊抒我从教数十年的胸怀，也是我对学生的期望与祝愿。