《“工程诺贝尔奖”<br/>——查尔斯·斯塔克·德雷珀奖》

《“工程诺贝尔奖”
——查尔斯·斯塔克·德雷珀奖》

2024-01-25

力学与实践 2023年6期

关键词：尾声

作者：郑晓静，周熹，张宝

出版社：科学出版社

出版时间：2023 年10 月

ISBN：9787030749796

开本：16 开

装帧：平装

页数：445 页

定价：128.00 元

内容简介：德雷珀奖，即查尔斯·斯塔克·德雷珀奖(Charles Stark Draper Prize)，是由美国国家工程院于1988 年设立的美国工程学界最高荣誉奖，也被誉为 “工程诺贝尔奖”。

本书介绍了德雷珀奖设立和颁发的基本情况以及查尔斯·斯塔克·德雷珀博士的生平贡献，着重介绍了1989～2022 年共计24 项德雷珀奖的获奖成果及其发明的主要过程以及60 位获奖者的主要经历。

全书以科普和人文视角，通过回顾各项德雷珀奖获奖成果诞生的时代背景和研发的逸闻趣事以及所带来的变革，一方面展示技术发明对人类社会进步和人们生活质量改善所发挥的重要作用，另一方面展示现代工程、技术科学和基础科学在现代科学技术体系中的相辅相成关系；通过叙述德雷珀奖获奖者的求学与成长、工作与生活、个性与特长，展示时代需求、问题导向、团队平台、眼界格局、敢为人先、不懈进取、责任担当、协同合作、敏锐缜密、数理功底等基本要素对科学家和工程师成长和成果取得的影响，进而为读者特别是从事基础学科、技术学科和工程学科研究的学者、工程师和青年学生提供有益的启发、有用的借鉴和有趣的参考。

序言

作为中国科学技术协会组织的全国科学道德和学风建设宣讲教育院士报告团成员，2012 年11 月6 日，吴新智、刘人怀和我三人，走进西安电子科技大学，结合自身教书育人和科学研究的实践，为1700 余名西安电子科技大学师生作了宣讲报告。我以“坚持科学发展观，努力做出原创性工作”为题作了专题报告。我从1978 年考入清华大学研究生的入学教育——观看苏联电影《驯火记》谈起，结合中国集成电路（integrated circuit， IC）产业的发展历史，以及即将在西安电子科技大学附近建设的引进三星半导体企业的机遇，向师生们指出，我国集成电路、平板显示自主创新的发展仍然任重道远，中国集成电路产业翻身仗需要加强社会诚信、科学和学风建设来护航。谈到当前科研工作中存在的不良现象时，我借用周光召先生的话，特别强调要把握好学科的发展方向，努力做出原创性工作，不要单一追求科学引文索引（SCI）论文的发表和所谓的影响因子及热门课题，要做出能经得起时间考验、真正有生命力的科研工作。最后，我以奥运会开幕式科学环节为例，指出了发展我国原创性研究的紧迫感，重点向大家介绍了被誉为“工程诺贝尔奖”——德雷珀奖的来历和历届获奖者及其成就。从西安报告归来不久，在一次中国科学院数学物理学部常委会上，西安电子科技大学校长郑晓静院士向我谈起，我的报告中关于我国进口集成电路、平板显示屏居于单一进口产品的第一位与第四位的消息令师生们震撼，排名分列第二、第三的石油、铁矿石作为资源性进口材料让大家还能接受，但以沙子作为原料的集成电路产业，为什么在国内就发展不起来，确实给以发展我国电子产业为己任的西安电子科技大学师生提出了一个挑战性问题。尤其当我在报告中谈到2012 年伦敦奥运会开幕式科学环节，英国拿出了2007 年德雷珀奖得主、万维网（World Wide Web，WWW）发明者蒂姆·J.伯纳斯-李来彰显文化形象，而我们2008 年北京奥运会拿出来的还是老祖宗的四大发明，师生们都有一股“坐不住”的追赶劲头，尤其在座的工科院校的学生们多数不知道什么是“工程诺贝尔奖”，这令在座的老师们坐不安席。基于这个背景，郑晓静院士萌发了向国内全面介绍德雷珀奖得主科技贡献的想法，以期激励更多的年轻工程技术人员，尤其是工科大学的大学生与研究生，对我国科技界学习国际近代科技创新经验将起到很大的促进作用。在本书出版前夕，郑晓静院士让我写个序言。借这个机会，我谈谈自己为什么支持介绍德雷珀奖的粗浅体会。我1963 年考入清华大学自控系，入校第一天，清华大学二校门迎接新生的大红横幅标语——“清华大学——工程师的摇篮”令我激动万分。那个时候，在清华大学周围，北京航空学院、北京钢铁学院、北京地质学院、北京矿业学院、北京林学院、北京石油学院、北京医学院、北京农业机械化学院八大学院为我国工农业现代化培养了大量的工程技术人员。1978 年，我作为恢复研究生招生录取的第一批清华大学液晶物理专业的研究生，正逢清华大学恢复理科建制的潮流，清华大学当时请了著名理论物理学家周光召当主任，成立了现代应用物理系。在主楼报告厅，我聆听了周光召先生的报告，他指出，结合清华大学工科见长的特点及计算物理的发展，清华大学成立清华大学现代应用物理系正当其时。但随着后来高等教育事业的大规模发展，一股“重理轻工、重理论轻应用”的思潮“应运而生”。在周光召辞去清华大学理学院院长后，清华大学现代应用物理系悄悄地被改为物理系，而清华大学周围八大学院纷纷改成大学，不少学院改换成没有专业特色的校名，如科技大学、理工大学等。1990 年后，我加入中国科学院理论物理研究所，与周先生多有接触，他对上述“重理轻工”的思潮及科研评价论文导向的歪风愈演愈烈不无忧虑，如2008 年5 月4 日，周光召先生来到理论物理研究所听取所庆 30 周年筹备工作汇报，发表讲话时指出：“要把握好学科的发展方向，努力做出原创性工作，不要单一追求SCI 论文和所谓的影响因子及热门课题，要做出能经得起时间考验、真正有生命力的科研工作。”（中国科学院理论物理研究所，2008）他特别指出：“SCI 各种因子中，引用的生命周期是最重要的。”（韩扬眉，2022）2009 年 12 月 22 日《科学时报》对八部门共同举行的聂荣臻同志诞辰 110 周年座谈会进行报道，刊登了周光召的谈话精神，“对目前科技界种种不良现象，周光召给予了严肃批评，如产学研结合没有得到根本改善，科学界协作精神不强，学术氛围不够浓；国力增强了，但没有与之相称的重大科研成果出现；科技投入增加了、队伍壮大了，但投入产出比可能不及聂荣臻领导时期”（王静，2009）。2012 年新年伊始发生的一件事使我认识到周光召先生忧虑的前瞻性与重要性。我于 1987～1989 年在柏林自由大学师从液晶显示器（liquid crystal display，LCD）发明者赫尔弗里希教授，研究液晶生物膜理论。1990年回国以后，我同赫尔弗里希教授保持着密切的联系，每年春节前后都会收到他温馨的新年祝贺的电子邮件，邮件中讲述了他及家人一年来的情况。2012 年春节，他在邮件中兴奋地告诉我，他与夫人及女儿们刚去华盛顿领回美国国家工程院颁发的德雷珀奖，他与其他三位科学家由于发明液晶显示技术被授予2012 年德雷珀奖。据我所知，由于1971 年通过一篇不足两页的在《应用物理快报》（APL）上刊登的论文提出可用于电视显示的扭曲液晶显示原理，赫尔弗里希教授获得了系列大奖，如1976 年欧洲物理学会（European Physical Society）的惠普欧洲物理学奖（Hewlett–Packard Europhysics Award）、2008 年电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）西泽润一奖等。但令我惭愧的是，让赫尔弗里希教授一家非常激动的德雷珀奖，我竟然一无所知。这说明我脑子中的思想也已被“重理轻工、重理论轻应用”侵蚀，在自我知识救赎之后，我认为应把我了解的查尔斯·斯塔克·德雷珀奖（简称德雷珀奖）介绍给大家。德雷珀奖已被视为世界上最具声誉的工程科学奖。然而获奖人远未被传媒所关注，德雷珀奖的起源及其重要价值即使在工程科学界内也鲜有人知，这是令人遗憾的。为了更好地了解该奖的起源及其意义，在第三届德雷珀奖颁奖的同时，亨利·彼得罗斯基（Henry Petroski）曾在《科学美国人》（Scientific American）1994年 3～4 月刊发文，把德雷珀奖的诞生与诺贝尔奖的不足联系起来，他在文章中指出，诺贝尔奖是瑞典出生的炸药发明家、工程师阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel，1833～1896）于1895 年（即他去世的前一年）手书了一纸文件后设立的。这份仅有275 个单词的文件明确限定了该项由诺贝尔本人相当可观的地产所积累的基金奖项将用于奖励那些在过去岁月中给全人类带来巨大利益的科学成就的人。诺贝尔设计了5 项奖，分别是对物理学、化学、生理学或医学领域作出最重要贡献的个人，对在文学领域创作出最优秀作品以及在促进世界和平方面做出杰出贡献的人士设立的专门奖项，诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖由瑞典科学院负责评选。尽管诺贝尔本人并没有将发明和工程技术成就摈弃于纯科学之外，然而瑞典科学院却将基础科学局限于物理学和化学两大领域，并更注重获奖提名人的长期成就和毕生工作，而非遵循诺贝尔当初的意愿，即某项成就一经确认即可授奖（Petroski，1994）。诺贝尔奖颁奖七八年后，《纽约论坛报》（New-York Tribune）就批评指出：“诺贝尔基金会的最大特点之一是它忽略了诺贝尔本人曾受训的职业。”（Petroski0，1987）或许是出于对这些批评的回应，1909 年的诺贝尔物理学奖授予了意大利电气工程师马可尼和德国物理学家布劳恩，以示承认他们在无线电报装置方面的贡献，1912 年又因达伦在发明航标灯自动调节器方面的成就而授予其该年度的诺贝尔物理学奖。然而这种对工程成就的认可是无规则的、欠系统性的（如2002 年诺贝尔化学奖授予日本岛津制作所，研究“生物高分子质量分析的离子化法”的田中耕一工程师，显然也是难得的一次破例——笔者按）。有趣的是，诺贝尔本人当初并未设立的奖项——诺贝尔经济学奖于1969 年首次颁发，它是由瑞典银行出资设立的“瑞典银行为纪念诺贝尔所设立的经济学奖”。此例一开，其他一些有代表性的学科如数学，也急切找到诺贝尔基金会，希望也能为之增设专门奖项，但基金会对此类申请一概不受理。因此，当1986 年诺贝尔基金会明确拒绝美国国家工程院（National Academy of Engineering，NAE）有关申报设立诺贝尔工程奖的请求时，人们也就不足为奇了。或许正是由于受到诺贝尔基金会的冷遇，1988 年，美国国家工程院设立了美国工程学界最高荣誉奖——德雷珀奖，旨在奖励那些对社会产生重要影响、为改善人们生活质量做出重大贡献的工程技术成就、为全人类的幸福和自由作出杰出工程成就的个人。首届德雷珀奖于1989 年颁发，两年一度授奖；随着信息与生命科学技术的急速进步，该奖从2001 年起每年授奖一次；但美国国家工程院官方网站显示，2010 年空缺，2016 年该奖又重新改为每两年颁发一次。与诺贝尔奖提名人的神秘性不同（每年诺贝尔奖评委会秘密寄信邀请对口专业成百上千的提名人，并要求提名人在提交提名信时，附上一张 50 年不公开提名信息的保密签字承诺书），德雷珀奖提名人与被提名人的研究范围涵盖了所有工程学的学科。提名人无论是否为美国国家工程院会员，均有资格提名，让被提名人参与德雷珀奖的竞选。近年的提名更为简单——只需在网上（www.naeawardsonline.com）提交信息。不过，提名人要在受理的时间段提交才会被受理，如2014 年德雷珀奖的提名期间是2013 年1 月2日到4 月1 日。美国国家工程院之所以这么淡定，不怕大众“骚扰”，原因是被授予该奖的都是一目了然的划时代技术创新、世界级的重要成就：1989 年集成电路（integrated circuit，IC）、1991 年涡轮喷气发动机（turbojet engine）、1995 年通信卫星、1997 年石油催化、1999 年光纤通信、2001 年因特网（Internet）、2002 年药物传递系统（drug delivery system，DDS）、2003 年全球定位系统（global positioning system，GPS）、2004 年第一个实用联网计算机——阿尔托（Alto）、 2005 年首个地球观象卫星——科罗娜（Corona）、2006 年数码相机核心器件电荷耦合元件（CCD）、2007 年万维网（World Wide Web）、2008 年卡尔曼滤波（Kalman filter）、2009 年动态随机存储器（dynamic random access memory，DRAM）、2011 年定向进化（directed evolution）、2012 年液晶显示器、2013 年蜂窝移动电话（MC）……大家不难看到，如果上述成就中有一项未被发现，我们的时代进程就要倒退上百年。我们小时候，在《封神榜》看到的千里眼、顺风耳幻想，正是由于从IC 到MC 的一系列获德雷珀奖的贡献得以实现。德雷珀奖无疑是人类社会从第一、第二次工业革命（蒸汽机到电气化）到第三次工业革命（计算机到信息化）技术进化的全纪录，显然，做出这些成就的获奖人每人都有一篇动人的发明故事，这正是郑晓静院士等著的这本书要奉献给大家的珍贵礼物。

查尔斯·斯塔克·德雷珀（1901～1987）本人一生追求进取、科技创新的经历也是年轻学生励志的好教材。他大学首先就读的是密苏里大学矿冶学院的图书馆艺术系，两年后他转校斯坦福大学（Stanford University），1922 年毕业，获心理学学士学位，其后他在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）先后获得电化学理学学士学位（1926 年）、物理学硕士学位（1928 年）与博士学位（1938 年）。与此同时，他在MIT 获得教职，先在该校航空工程系任助理教授，1939 年成为教授，领导着航天航空系，并在检测仪器和控制方面有重要发明。德雷珀被誉为“惯性导航系统之父”，他的发明在“阿波罗登月计划”的导航、控制系统的研制中发挥了重要作用，他的这项技术能够让飞行器通过陀螺仪和加速计感知方向变化。他一生获得世界各地的70 多个奖项和荣誉，同时身为多家研究机构的成员。美国国家航空航天局（NASA）与德雷珀实验室订立的第一份合同即是设计“阿波罗登月计划”的登月舱和指挥舱系统（Tylko，2009）。1973 年MIT 将20 世纪30 年代建立的MIT 仪器实验室组建为德雷珀实验公司，这是一个独立的非营利的研究开发组织。在德雷珀辞世不久后的1988 年，MIT 德雷珀实验室全体董事会即批准为德雷珀奖捐资。无论外界对德雷珀奖评价如何，也无论其奖金只有诺贝尔奖的一半——50 万美元，还有一枚金质奖章及一份手写证书，其两年（现在一年）一度的获奖工作作为诺贝尔奖必不可少的补充而确立了自己的特色、地位。正如《科学》（Science）杂志在第二届德雷珀奖颁发之后所言：伟大的工程技术成就终于有了一个认可的奖项，就该奖获奖人的创造性发明的价值而言，其意义绝不低于甚而超过了诺贝尔奖（Abelson，1991）。

欧阳钟灿

2014 年5 月

前言

本书的写作源于中国科学院理论物理研究所欧阳钟灿院士2012 年11 月6 日在西安电子科技大学的一场报告。在那场报告结尾，欧阳钟灿院士简要介绍了享有“工程诺贝尔奖”美誉的德雷珀奖，这引起了我很大的兴趣。我们知道，备受关注的诺贝尔奖，以物理学、化学、生理学或医学为例，旨在表彰“对人类做出最大贡献”的科学家，这些“最大贡献”主要是基础研究方面的成就。德雷珀奖旨在奖励那些在大力增进人类福祉、显著改善人类生存质量与自由程度方面做出重要贡献的工程师们。二者的出发点和落脚点有着明显不同，但有一点是肯定的，那就是在人类文明和社会进步的长河中，科学的发展和技术的进步往往是相伴而行的。正如著名的力学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán，1881～1963）所说：“科学家发现已有的世界，工程师创造从未有过的世界。” （A scientist discovers that which exists，an engineer creates that which never was.）由本书可见，不少获得过德雷珀奖的学者，如杰克·S.基尔比、高锟、威拉德·S.博伊尔、乔治·E.史密斯、弗朗西斯·H.阿诺德、约翰·B.古迪纳夫、吉野彰、中村修二和赤崎勇，也获得了诺贝尔奖。基于基础研究的突破所产生的技术发明对人类社会的发展和进步的影响和变革有时更为直接且更为广泛。例如：英国人瓦特在已有蒸汽机的基础上发明的高效能蒸汽机，带动着纺织机、鼓风机、抽水机、磨粉机，促成了纺织、印染、冶金、采矿业的迅猛发展，引发了机器制造业、钢铁工业、运输工业的蓬勃兴起，同时也在科学上，促进了热力学理论的建立。再如：电的发现和应用彻底改变了人类生活的方式和品质，而本书介绍的德雷珀奖的成果，如涡轮喷气发动机、集成电路、光纤通信、药物传递系统、GPS 因特网和蜂窝移动电话等不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的进步，而且也深刻地影响着人们的生活习惯和思维方式。在运用科学的原理与方法研发出新的工艺、流程、产品、装备和系统的过程中不仅需要已有知识的积累，更需要有巧妙的构思和大胆的突破，这些构成了科技创新中不可或缺的重要部分。介绍德雷珀奖和它的各项获奖成果以及这些成果诞生的主要过程和这些获奖者的主要经历，对鼓励和吸引更多的科技工作者和年轻学子致力于解决工程实际问题，特别是解决“卡脖子”技术难题，开辟出造福人类的新天地，具有重要的现实意义。本书希望通过对德雷珀奖的一个个获奖成果的介绍，使读者不仅能增进对具体成果本身的认识，更能品味到“大力增进人类福祉、显著改善人类生存质量与自由程度”的含义，以提升对科技成果的鉴赏力；希望通过对德雷珀奖获奖成果的一个个发明过程的介绍，使读者不仅了解发明的具体过程，更能体会到需求牵引与问题导向、奇思妙想与不惧权威、沟通协作与百折不挠、远见卓识与宽容失败等的重要性，以及理解技术发明的共性特点；希望通过对德雷珀奖的一个个获奖者主要经历的介绍，使读者不仅体会到他们的个人魅力和时代机遇，而且能从他们扎实的数学物理基础和宽口径的工程学训练以及实际动手能力、在军队服役和开创公司以及研究员和大学教师甚至政府官员等的丰富职业经历、他们对责任的诠释和对当今诸多问题的思考中审视我们的人才培养模式，以不断完善创新创造的科技环境。在德雷珀奖的已有获奖成果中还没有来自中国的，随着我国科学与技术不断地从“大”到“强”，相信未来一定会产出大力增进人类福祉、显著改善人类生存质量与自由程度的重要成果和杰出的中国工程师。本书的写作起于2013 年初，断断续续，反反复复，历经十年。一方面是由于本书内容涵盖的学科面较广、涉及的知识点新颖深刻，很多内容非作者之所长且又试图使其通俗易懂以惠及很多非专业读者；另一方面是由于本人在这期间的大部分时间担任西安电子科技大学的校长等，时间和精力有限。在此书的写作过程中，西安电子科技大学的杨克虎教授和兰州大学的朱伟博士为本书提供了很多重要的资料和信息，西安电子科技大学的高新波、李晖、马娟和薛向东教授对部分书稿内容提出了宝贵的修改意见，张美茹女士对部分文稿做了文字润色，在此对他们的帮助表示最真挚的感谢！欧阳钟灿先生是中国科学院数学物理学部院士、中国科学院理论物理研究所研究员，他对液晶、生物膜理论、DNA 生物大分子弹性性质及蛋白质折叠的研究做出了巨大贡献。我敬佩他的学术造诣和学者风范，对他的很多观点也持同感。例如，他很早并一直在呼吁：要努力做出原创性工作，不要单一追求 SCI 论文的发表和所谓的影响因子及热门课题，要做出能经得起时间考验、真正有生命力的科研工作。在此，特别感谢欧阳钟灿先生为本书作序言。

郑晓静

2022 年10 月

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