第一节课

注：文中前半部分涉及作者对于“固体物理”的理解，未有相关基础的读者请自行跳过。欢迎就前半部分的理解与后半部分的幻想进行讨论。

随着屋里的光线越来越强，温度逐渐升高，柔和的音乐响起了，床也开始渐渐晃动起来，晓光的睡意被逐渐驱散。他起床了，要开始体验第一天大学上课的生活。

洗漱完毕后，他从早餐机里取出了早餐，还是往日的有些厌倦的热干面、鸡蛋与牛奶。他想，现在下载一个菜谱这么贵，还是一百年前程序免费的时代好啊！

吃完早餐，他骑着核动自行车向教室驶去，天空中一架架飞艇驶过，像一朵朵云霞。

今天他只有一节课，叫做“材料能网导论”，但他昨天在网上无意看到了关于人类衰老机理及应对的讲座，他一直对衰老延缓药物不太放心，希望能知道更详细的机理，于是准备上完课去听讲座。

来到教室，里面只到了一个人，他带着视觉眼镜，两手交叉放在胸前，斜倚在椅子上。晓光上前给他打了声招呼，但他没有回应，也许眼镜开的是零透模式。晓光在椅子的平板上检查了家里一天的安排程序无误之后，便坐在椅子上发着呆。他不喜欢总带着视觉眼镜，总让自己的眼睛与心灵被东西占据着，有时候，没有任何输入，只是让头脑里的记忆与思维慢慢相互交融，不也是一件很惬意的事吗？

上课的铃声将晓光带回现实，班上15位同学已经到齐，教授开始了他的讲课：

“同学们，请带上椅子上的视觉眼镜，调到半透模式，我们即将开始我们的课程。如果你带了自己的视觉眼镜，并且已经习惯了自己的设置，那么也可以用自己的，二维码我已经打在了屏幕上，扫描后接入我们的课堂即可。”

“这是你们大学的第一节课，课名叫做‘材料能网导论’，是你们‘材料能网科学与工程’专业的导学课程。上完这门课，你们就如同有了一幅地图，知道你们未来的方向在哪，知道每一年你们走到了何处，所以还是一门非常有意义的课程。除了这门课，你们在将来8年的大学学习中，还要学习23门课程，对于这23门课的介绍将于之后的23个学时由其他23位教授讲述，我在这节课做一个总述。这24门课已经列在了这个表里。”

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“不同于你们之前的课程学习，在大学你们每年只是上学期才上理论课，而下学期是对应课程的实验、文献阅读与项目训练，到时候会有老师指导你们，我在此不再多说。”

“你们的专业名为‘材料能网科学与工程’，那什么是材料的能网呢？在高中，你们在普通固体物理里已经知道了能级与能带的概念：量子效应使能量量子化，形成能级，而大量紧密结合的原子团使原子能级分裂，这些准连续的能级由于不确定关系与热扰动又连成一片，形成能带。完全分立的能级在k空间中形成一个个分立的状态小球，小球与小球之间相隔很远；准连续的能带在k空间中像一团连续的沙球，不能有哪一粒沙子可以离开主体，悬于空中。完全分立的能级与准连续的能带都是极为简单与基本的模型，也是自然本身就给了我们的模型。但在现实中，为了满足各种需求，比如设计材料的各种性能，我们需要比能级与能带更为复杂的结构，这就是能网。想象在k空间中，你们可以自由安排沙子的位子，他们可以像分立的小球一样相隔很远，也可以被你连续地设计成需要的形状，像沙雕一样，这是否是一件令人兴奋的事呢？”

“当然让你们设计能网，并非是要你们像设计沙雕一样，从事艺术工作。你们设计能网的目的是为了让材料具有人们需要的性能。材料什么样的性能需要什么样的能网，这将在你们大七的‘材料能网与性能基础’课程中讲述，不过这只是一个入门。更深入与具体的，为了实现信息的传输、处理与存储，实现能量的转换、存储与传输，实现生物功能，这些材料又需要怎样的能网结构，这将在大七与大八的剩下几门课中讲述。”

“从能网的角度来看，材料表现出某种性能的实质，是材料的能网与电磁场相互作用的结果，电磁场的传播就是光，电磁场的作用对象就是电子，你们大六、大七学的‘能网与场动力学’、‘材料光学’、‘现代材料电子学’三门课就是研究能网与电磁场的相互作用关系，能网与光的相互作用关系与能网与电子的相互作用关系。学习了这三门课，你们才有理解材料能网与性能关系的基础。”

“‘能网’概念的建立来自你们大三的三门课‘准周期固体物理’、‘非周期固体物理’、‘表面固体物理’。在高中，你们已经学过了基于周期分布晶格的固体物理，在那里建立了能带的概念，但为了让能带按照我们的需要交织成更为复杂的能网，我们就需要打破周期性结构，建立非周期晶格理论。在经典固体物理中引入微扰，研究周期结构的变形，形成了‘准周期固体物理’；直接建立新的理论来研究非周期结构，形成了‘非周期固体物理’；鉴于表面效应在非周期结构中显得尤为突出，甚至可以将非周期结构看作表面的叠加，我们需要专门讨论‘表面固体物理’。在这三门课中，你们将逐渐熟悉能网的概念，并意识到能带的局限性。”

“在学以上三门课程之前，你们需要在大一、大二学习6门基础课程，这是你们能够学会那三门课的前提。”

“当你们掌握了能网的基本理论之后，你们就要开始学习分析能网结构与材料性能的关系，不过这里的分析是模块化的分析，一些特定结构的能网模块对性能有特定的贡献，至于为什么是这样，在上面也提过了，要在你们大六、大七的三门课程中讲述。对于复杂的能网，需要软件来辅助我们分析，于是你们要学习‘ENA（Energy Net Analyzer）软件’的使用。这是你们大四‘材料性能分析基础’、‘材料能网结构分析学与ENA软件应用’的内容。”

“仅仅纸上谈兵学习理论是不够的，实际应用中，你们需要把真正的材料做出来，这就涉及到了材料的生长与测试技术。我们的终极目标是一个个地快速移动原子，堆积成设计的结构，但是现有的技术难题还有待克服，因而现阶段我们采用的是快速局域分子束外延技术，虽然原子团基本能按我们的需要来排列，但是精度还有待提高。这些内容会在大四和大五的三门课中讲述，分别为‘精确材料生长技术’、‘材料成分结构测试技术’、‘材料能网结构测试技术’。”

“在学会分析能网之后，你们就要开始学习设计能网，当然在彻底理解理论之前，这种设计也是模块化的，主要基于软件，这是‘能网设计基础与3DEND（Three-dimensional Energy Net Designer）软件’的内容。为了你们能够更好地理解软件，也为了你们今后可以自己编写软件，你们还应学习‘计算与仿真分析’。”

“有了分析与设计能网模块的基础，你们就可以深入模块内部，从物理的第一性原理出发来学习材料能网与性能的关系，这就是你们剩下大六、大七、大八的课程内容，之前也已经提到了。”

“通过上面的讲述，你们应该大致了解了什么是材料的能网，你们会通过哪些课程来学习能网，现在我再来讲一下‘材料能网科学与工程’出现的历史与应用，或者说这门科学给世界带来了怎样的变化。”

“一百年前的2020年，化石能源几乎消耗殆尽，各国纷纷制定保护措施保护仅存的化石能源不被开采，以用于储备能源。核裂变的污染依然受到质疑而未能普及，可控核聚变还没能突破技术难关，光伏发电成为了政府扶持与推广的主要能源，但其高成本与低效率的缺点还没能得到有效地解决，普通百姓的能源费用依然急剧上升。买得起汽车上不起路成了大众的普遍困境。因而2020年被称为后化石能源的元年。”

“与此同时，由于传统电子芯片集成度遭遇了物理极限，新的计算技术还没有突破技术难关，因而处于云端的超级计算机处理速度未能继续提升。然而人们对于通信与云计算的需求却依然按照原有的趋势呈指数增长，计算资源的供不应求使得云服务的价格急剧上升，商业巨头乘机对其进行垄断，又进一步加重了信息产业的恶化。虽然不少人做过从云端退回本地处理的尝试，但软件复杂度的扩张与人们的感官需求都难以倒退，再加上各集团的利益纠缠，最终这些尝试均宣告失败。2020至2030年的十年间，信息技术的发展一度停滞。普通百姓眼看着云服务费用一天天地增加，处理速度却越来越慢，而不得不换用效果更简陋、算法更简单、功能更基本、分辨率更低的云端软件。”

“在2020至2030的十年间，整个世界经济都陷于低迷，人们的幸福指数也大幅度下降，一些地区政治出现动荡。而科学家们也苦苦寻求着解决问题的方法。他们想到通过对经典理论的修正与经典器件模型的简单改进的方法已经走到了尽头，要想进一步提高器件的性能，必须从原理上进行根本的创新。那个时代逼迫着他们对理论进行创新，经过十年的酝酿，能网理论最终出现了。接下来的十年，该学科得到了蓬勃的发展，不仅在理论上更为丰富与完善，而且在应用上也实现了较多的突破。于是世界经济在经历了十多年的低迷之后，终于出现了新一轮的腾飞。”

“下面从能源、计算、通信、视觉、医疗、军事与工业几个方面进一步介绍能网科学的应用。”

“能源方面：100年前，我们以电能为枢纽能量形式，首先通过其他形式的能量转化为电能，再将电能输送到各地，最后将电能转化为其他形式的能量供我们应用。但今天，我们采用光能作为枢纽能量，高能光束在特殊的光缆中传输，可以达到比电缆传输小的多的损耗。光能的获取直接从太阳得到，然后经过处理转化为高能光束以便传输，而用户端再将光能转化为其他形式的能量。以光能为枢纽比以电能为枢纽的好处除了能量输送过程中损耗更小以外，还在于能量转化的直接性，因为减少了发电这一环节。而用户端要转化为电能，如使用电动机时，又因光能集中，使转换效率更高，器件面积与成本更低（相当于聚光太阳能电池）。这之中涉及到聚光器、耦合器、光能光缆、光能分束器、光能开关、滤波器、移频器、移相器、调制器等各种大功率器件，这些器件的材料与结构的设计都离不开材料能网科学。”

“计算方面：100年前，我们以电子芯片为信息处理单元，但电子与空穴的扩散与漂移速度限制了信息的变化速度。如今我们用光子芯片来处理信息，绝大多数的信息以光场的变化得以表达，只有少数光场与光场的作用会涉及到电荷的短距离运动，因而处理速度要快得多。另外利用光的并行性，以及光计算与光通信的完美兼容性，云计算服务得以起死回生。光计算涉及到的各种器件，也离不开材料能网科学。”

“通信方面：材料能网科学应用到量子通信领域，使得高密度光子纠缠态的制备得以实现，是量子通信从实验室走向实用阶段的重要保证。材料能网科学促使了通信保密问题得到了完美解决。”

“视觉方面：你们戴的视觉眼镜，如何能够形成3D效果，如何能形成全彩，如何达到全分辨率，如何实现全透、半透与零透模式的调节与转换，这之中也涉及到材料能网科学。”

“医疗方面：注射入你们身体的纳米机器人，如何能够识别体内各种物质，且进行定量分析，如何检测体内热、磁、电、光场的分布，如何能够收集环境的能量，达到自驱动的效果，也都有赖于材料能网科学。”

“军事与工业方面：大功率激光武器，超快超精细激光切割与焊接，军事目标的监测与反监测等方面也会用到材料能网科学。”

“总而言之，材料能网科学的应用几乎无处不在。好了，我要讲的就是这么多，下面是讨论时间。”

……

第一节课终于上完了，晓光思索着，“科学与技术，是在让心灵与世界越来越近还是越来越远呢？不过如果人类有选择的自由与选择的理智，应该不会让事情变得更糟吧。”

思索着，他向着人类衰老机理及应对的讲座现场走去……

完成于2014年5月2日

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