一颗光耀世界的华人之星——吴柯教授

“日前,我应邀参加了北京的大阅兵观礼,场面甚为震撼,极为激动人心。”一位加拿大科学家在给本记者的电邮中这样表达自已的感受。他是谁?他就是世界微波与光电子等领域的领军人物,一位贡献卓著,首屈一指的华裔科学吴柯教授。

一、 声名卓著的华裔科学家和工程师 

早就听说在加拿大蒙特利尔住着一位在科技界和工程界大名鼎鼎的华裔科学家和工程师,但一直未曾谋面。前些日子传来的两则喜讯终于让记者坐不住了:2014年10月份,在意大利罗马举行的IEEE国际微波理论和技术协会最高行政委员会秋季会议上,他以绝对高票击败了来自美国的著名候选人,当选为2015-2016年度IEEE国际微波理论和技术协会的主席,成为该组织自1952年创立以来第三位非美国人主席,也是海外华人中极少数担任大型国际科学组织的领导人;紧接着,2014年11月份,他又被授予加拿大魁北克最高奖(魁北克奖)—科技奖 (Prix du Quebec – Prix Marie-Victorin),成为魁北克最高奖有史以来的第一位华人获得者。其实,早在2001年他就当选为加拿大历史上最年轻的工程院院士,2005年他又当选为加拿大皇家科学院院士,成为中国开放以后海外华人留学生中也许是第一位两院院士。另外,他还在2000年当选为国际电子电气工程师协会会士。他就是在微波,毫米波,光电与微电子领域中闻名遐迩的吴柯教授。

其实,对吴教授来说,这些荣誉并不新奇。自进入本世纪以来,他已先后出任过许多国际会议和委员会主席如SPIE 国际高频电子和光子研讨会总主席,国际微波和光学技术会议总主席,全球毫米波研讨会总主席,并于2012年担任过有近万名会员参加和近千家公司参展的,世界上最著名和最重要的国际射频和微波会议年会总主席……他头衔已经多得不胜枚举。在加拿大,他是加拿大射频和毫米波工程资深讲座教授,是他领导着世界著名的POLY-GRAMES 微波和太空电磁先进研究中心,并担任该中心主任长达17年之久;其后,他又亲手创建了由12所大学组成的国家射频电子研究中心,并出任首任主任。吴教授在世界一流科学刊物和会议上发表的论文已逾千篇,被引用超过22800多次。

在中国驻蒙特利尔总领馆的信荐与协助下,记者有幸前往采访。吴教授的研究中心位于蒙特利尔大学校园内一栋颇新的教学大楼内,占据了第6层的大半面积。在记者的想象中,他定会是一位戴着老化镜整天躬身实验台前的学究吧。可一见面大出意料,原来他竟是一位体态微胖但步伐矫健,动作敏捷的壮年汉子;衬衫外套了一件灰黑色毛衣,笑眯眯的,热情而又健谈,没有一点儿大科学家的架子,让人一见面就有如老朋友一般,见面后他就径直带着记者去参观中心的主要实验室,实验室里排满了各式各样形状不一的设备,多是世界一流的光、电、磁,波方面的实验仪器和制作装置,尽管吴教授不厌其烦地指点讲解,但记者这个门外汉还是听得一头雾水。最后,我们来到一间供教授们就餐喝咖啡的休息厅落座,开始听他答记者问,讲述自己的求学与创新之路。

二、在独立自由的环境中长大

吴柯教授于1962年12月出生于江苏溧阳,父母亲都是工作一直非常繁忙,所以他和弟弟妹妹是在外公外婆家的小镇里长大的,从小学直读到高二才回到县城。他从小就很钦佩外公,外公曾在上海做过事,是见过大世面的绅士,思想开放,对他极少管束,使他得以在完全自由自在的环境中成长,没有人望子成龙,非逼他学这学那不可。他对记者说,青少年时期个性的自由发展让他受益匪浅。

他自幼就喜欢读书,文学的科普的,只要能找到的书,他都喜欢读。他还喜欢观察事物,如观察天体运行,观察动植物的生长。所以,在中学,他既是黑板报的报长,负责写稿编报;同时也是地震测报组组长,他会将同学分成三组,一组观察井水变化,二组观察动物行为,三组负责测量磁场。

回城后,他于1978年从溧阳中学毕业后考入了南京工学院,即现在的东南大学。1982年,当吴柯以优异成绩获得南京工学院无线电工程系微波技术专业学士学位时,他很幸运地赶上了教育部招考出国留学预备研究生,他一考即中。1983年,仅经过短短数月的法语培训,他就被派往法国格勒诺布尔大学学习,用了四年半的时间,就先后拿到了该大学和法国国家工程院光电子及微波专业的硕士与博士学位,并自此开启了他的科学探索之路。

三、硕果累累的创造发明 

在法国获得博士学位后,吴柯跟随自己的德国朋友兼博士后导师来到了加拿大,先在维多利亚大学作为研究员从事教学和科研工作,随后到蒙特利尔大学工学院任教。在此期间吴教授的一系列创新性研究成果得到了国际同行的承认,常常受邀到美、德、法、意、比、日、瑞士、瑞典、新加坡等世界各国讲学。他应该是当今国际科技领域中在全球范围内访问和讲学最多的学者之一。近三十年来,他一直在加拿大从事着他所喜爱的专业领域的工作,从未离开,因为,他在加拿大亲手创建了世界一流的射频和微波研究基地并出任主任,这个研究中心可是他的“独生爱子”,他不能离开它。在这里,他如鱼得水,不用担心会受到外部干扰。正是在这里。吴柯教授所感兴趣的科学研究包括了非常基础的和非常实用化的课题,从器件到电路、从天线到系统、从新材料到新应用、以及从数字建模到测试方法。取得了一系列举世瞩目的突破性成果。

──首先是基片集成电路的发明(1998)。此前普遍使用的微带开放电路损耗大,且封装成本极高;而波导电路虽然损耗小,却不能集成,体积又庞大笨重。世界上数百家大学和企业都在研究如何克服这些难点,然而成效不大。最后是被吴柯教授发明的基片集成波导和电路实现了突破──他将原来立体的非平面的电路平面化,使其既可以集成,性能又得到极大提高,体积则大为缩小,用一层或几层硅片或其他材料基片即可以实现它。原来安装在雷达上的桌子般大小的电路,现在则可以做成像盘子一样大小了,性能高而体积小,所以飞机雷达都采用了它。这是一个革命性的变化。吴教授于上世纪90年代最早提出这一设想,至今这一革命性的创造 – 基片集成电路已在世界上得到广泛的开发和应用。

此项成果获得了国际电子电气工程师协会的嘉奖,在2001年新设立的国际微波理论和技术协会的杰出青年科学家奖,他是获此奖项的第一人,由此肯定他的成果对社会的贡献。2011年11月世界权威的《微波杂志》将这一创造发明列在了10大可改变未来的创造发明的首位,吴教授的头像还上了杂志的封面,同爱因斯坦等多位世界大科学家的头象排在了一起。他和他的合作者们所发表的2篇有关论文至今仍然保持着2个国际著名学术刊物(IEEE Microwave and Wireless Components Letters (IEEE-MWCL), and IET Microwaves, Antennas and Propagation (IET-MAP) 创刊以来的最高引用记录。吴教授在2009年1月到2011年12月的3年中作为IEEE国际微波理论和技术协会当选的杰出演讲师,应邀到世界各地进行演讲。

──吴教授的另一项杰出成是在世界上首创了高速多端口接收发送机(1993)。除了经典的超外差和直接变频方法以外,这个技术已经被视为波干涉,现在已被划分为世界上第三种射频收发机的设计平台。这为低功率和宽带无线系统的开发创造了无数的机遇。这项成果可用于特种医学和交通管理的无线射频传感器和通讯机的设计。此成果在2014年获得了IEEE颁发的微波应用奖,以表彰他在此领域所做出的开拓性贡献。这项成果已于两年前应用于奔驰等汽车的智能雷达系统中。

──实现电场-电路模型统一化是另一项重大成果(1996)。它解决了电路模型准确度的问题,使其达到了场模型的精确度,从而使得商业设计软件的准确度大大提高。它可用于所有的集成电路,对计算机辅助设计和建模设计产生了革命性的影响。这项成果在1997年度亚太微波会议上获得了由Arthur A. Oliner和Tatsuo Itoh等世界著名的学者所组成的评委推荐的1997亚太微波奖。吴教授还向记者介绍了他所领导的小组目前正在进行并已取得了突破性进展的一系列重要研究课题。在此仅仅列出以下三个例子:

──无线功率传输和收集。吴教授说,环境无线电磁功率和其他环境能源的有效收集对于未来的无线系统和未来无处不在的物联网分布式设备和器件至关重要。他和他的合作者们所提出的不同于传统方法的革命性的新思想,比如用自旋二极管和隧道二极管来替代传统的肖特基二极管来进行低功率密度无线能源的回收。他们于2014年10月发表在国际电子电气工程师协会的顶级综合刊物 (Proceedings of the IEEE)的有关于这项研究的文章到了国际上的极大关注。此外,他和他的学生们在短距和长距无线功率有效传输等难题上取得了一系列突破性的进展。

──二维调谐智能技术。传统调谐通常是在一维中进行的,如在电路或电子器件中改变与电场或磁场有关的参数。这种方法实际上属于典型的场微扰法,因而射频电路和系统的可调范围极为有限并且效果不好。吴教授另辟蹊径,提出了二维可调电路概念,即,同时并有机地改变电场和磁场,使得电和磁相结合产生模式可调效应,从而大大提高了可调和可控范围。这给高速和高效电磁可调和可重构技术带来了全新的革命性变化。这会对未来智能器件,电路和系统产生重大影响。尽管这个技术最近刚刚公布不久,但已经被许多同行广泛引用。

──吴教授的另一大发明是联体接收发送机。以前,雷达传感和数据通信是分开的两个系统。吴教授将二者合为一体,使无线收发系统既可以作为雷达装置又可以作为通信数据传输系统。最近,吴教授还将无线功率传输功能集成进入了这个系统,由此将传感技术、数据传输和无线传输三者合为一体,并且还能使得这三大无线功能之间能有效地产生交互作用,这将会在无线领域实现一次革命性的跨跃。特别是,这个技术将会成就颠覆性5G和未来无线技术和系统的开发,无线传感和无线供电功能在未来无处不在的应用中将是必不可少的。吴教授近来已经应邀常常就这个论题在世界各地进行演讲。

四、人才不是培养出来的? 

吴教授的贡献不仅仅在于这些开创性的创造发明,更为全球各国培养出了一大批杰出科技人才。由他亲手指导、带领并已毕业的硕士生有83人,博士生有50多人,且有不少人已成为一些名牌大学的研究骨干,其中8人已经是大学的正教授,如全球闻名的渥太华大学光学研究中心主任贝利尼教授就是他指导的博士生。中国学生中有现在任教于电子科技大学的知名教授和全国百篇优秀博士论文获奖者程钰间。他的学生和小组是国际组织和国际会议获奖者的“常客”。吴教授告诉记者,在他所指导的博士生中有三分之一是从中国各大学招收来的学生,他们来自于复旦大学、东南大学、上海交大、哈工大、电子科技大学等多所大学。在他带领记者参观时,一位来自中国东南大学的博士生(王旷达)正在实验室做研究。

吴教授现在主持的这个射频和微波研究中心共有100多人,其中正教授10人, 有10多个研究员和技术员。博士生和博士后约有80人,他亲自指导的有20多人,而在这20多人中,三分之一是来自中国的学生。此外,他每年都要到中国各大学讲学,向国内介绍光、电和微波方面的前沿研究。中国最知名的通讯公司也正同他的中心商谈合作事宜,准备请该中心开发他们需要的通讯和传感技术。

吴教授是一位少见的科学天才,他的发明创造,他所获得的国际性荣誉多得让记者无法一一列举。采访中记者始终有一个巨大的问号:他为何能有这么多的发明创造,而且都是具有突破性的成果?他的天才来自哪里?

当记者问他这个问题时,吴教授笑着告诉记者,他做科研和选题时有三个原则:首先,课题必须是原创性或开创性的;二,课题要有突破性,要能够产生重大影响的;三,其成果要有实用价值,而不能仅仅停留在理论层面。记者回顾上述研究成果,果然件件都符合这三项原则。另外,他还说,有重大影响和革命性的发明创造需要具有一个无畏和求是的精神, 不怕权威和失败,善于问自己为什么并为之而坚持不懈地寻找答案。这个过程对他人来说可能是非常枯燥乏味的,但对于研究者自己来说应该是其乐无穷的。

吴教授说,任何研究工作应该是在多个方面综合考虑的基础上开始和建立起来,如个人兴趣的范围、过去课题的延续、前人工作的总结、工作条件的保障、可行成功的预测、未来成果的意义和技术转让的平台等等,在研究目标和方向确定后,重要的就是要坚韧不拔持之以恒。研究一定会遭遇种种瓶颈或是障碍,这既是压力,也是机会,它逼你必须想出其它的办法或出路来解决。基片集成电路的发明就是如此,立体化非平面电路无法再上一层楼,那就要研究如何将其平面化,并解决微带开放电路损耗大、封装贵的问题和波导电s路笨重而又不能集成的难题。他认为“难关即是创新机遇”,往往就是这样,当“山重水复疑无路”之时,拓展思路,可能就会“柳暗花明又一村”了。吴教授认为,一个有意义和能够产生重大影响的研究课题应该是路越走越宽和越看越远的。

记者请他从本人的成才经验来谈谈如何培养学生的创造性。吴教授又笑了,他说,在他外甥女那里发现国内少年儿童的课业负担极重,在家长和老师的逼迫下,他们要学的知识太多。吴教授说,“知识多并不等于有创造性,学校更应注重的是培养学生的个性,为学生的个性发展创造一个自由宽松的环境,让他们可以独立思维的自由空间,而不能仅仅是灌输知识,追求高分。他认为高分不如有独立的批判性思维来得重要。

他告诉记者,他从世界各地鳞选研究生时,有时只要在电话里交谈一下大概可以确定他(她)有没有发展前途。他说:我在交谈中,主要不是看他(她)有多么深厚的专业功底和知识,而是考察他(她)是否具有开拓性的思维,是否具有独立思辨和研究的能力以及是否具有与他人合作和交流的精神。他告诉记者,他指导的研究生,每周三下午要在小组里作研究进展报告,回答其他人的提问,使他们接受质疑和批评,从相互交锋中撞出火花,让个性得到锻炼,这对他们未来展开独立研究非常重要。吴教授认为,真正有用的人才是在自己的极大兴趣上靠全面性地锻炼出来的,包括理论、实验和经历。而不是简单地靠书本、考试和说服中培养出来的,他(她)们在研究的困境和挑战中显示出自己与众不同的坚韧和力量。当然,知识的积累是必要的。人才必须具备独立的人格和优良的品德,他(她)们在批评和被批评,赞扬和被赞扬的宽松环境中成熟起来。有趣的是,每个人才的成长道路和文化背景都不一样。因此,人才不是靠一种固定模式“培育”出来的。在谈到高层次人才开发方面,吴教授对许多国人和媒体所热情渲染并一味追求的诺奖、名次、分数和年龄情怀而深感忧虑。

吴教授的大中小学是在中国读的,现在又常回中国各大学和科研机构讲学,我问他对中国的科教有什么建议时,他提出了两点看法。

首先,他认为,科研和教学不应分开,应该教研结合,如此可收到相得益彰的功效。其一大好处是有助于人才的成长。他又说,中国的发展不能仅仅靠引入外国人才,主要还是要靠大批本土人才的支撑。但这些本土人才必须拥有广泛的国际视野和经历。如果将教育比作地基的话,那么科技发展就如高楼,而人才则是大厦中的钢筋。必须对国家发展有战略性意义的人才有更大的工作用武之地和发展空间,减少那些消耗精力和无用的行政干预和兼职。不是每个人才都要有个行政级别和官职的。可爱的领导性人才还应该具备有自我生存的能力和对集体负责的精神。他还笑着说,由于性格强烈,一些人才还是很难与人相处的。他告诉我他近年来的所作的个人观察, 他说, 中国的科教现状和未来与中国的人文发展有着紧密的关联,中国有许许多多优良的传统文化,同时,中国有一些传统文化对当今和未来具有世界性的中国人文和科教的健康发展有着不可估量的负面影响,为了中国未来可持续的健康发展,现代中国人必须也应该创造出有着深远和哲学意义的新文化。

其次,他认为,国家对软件工程和硬件工程要兼顾,不能因急功近利而忽视硬件,只重软件开发。他说,软件工程和硬件工程这两个领域有着相对不同的文化风格,软件工程和软件企业的成功是才智的短暂爆发,效益来得快,引人瞩目;但其基础仍然植根依赖于硬件的发展。而硬件工程是需要长期科研积累的,其效益也是长期才得以显现的,它是源远流长式,而不是河水暴涨式的。他说,从事硬件工程研究的人也是这样,他们一生从事研究,虽然年岁大了,但其知识经验积累深厚,厚积薄发,仍然宝贵可用。所以在用人方面不宜以年龄划线,搞一刀切,不能让这些思路敏捷的老年人才失去用武之地,那将是人才的一大浪费。因此,他对现在许多纯粹以年龄来划分的国家人才计划有着不同的看法。他对那些技术经验丰富但由于年龄问题而没有被国家人才计划选中的硬件人才感到遗憾。这对国家的发展有着很深刻的负面影响。

日前,吴教授应邀出席“中国人民抗日战争及世界反法西斯战争胜利七十周年”阅兵观礼后,向本记者表示,他看到中国正在向科技创新的前沿大步迈进,他对此中国的科技发展前景充满信心。

图片说明如下:

 1. 2014年6月4日,在美国佛罗里达州坦帕市召开的2014年IEEE MTT-S国际微波年会的颁奖晚宴上,吴柯和他的合作者(Renato G.Bosisio教授)由于在六端口发射机和接收机概念和技术上开创性的工作获得了2014 IEEE MTT-S微波应用奖。和他们在一起的是IEEE MTT-S2014年度主席,Robert Weigel教授。

2. 2014年11月4日,吴柯获得了2014年MARIE-VICTORIN奖(魁北克奖)-这是魁北克政府所给予的最高殊荣, 他应邀在有魁北克政府官员,中国驻蒙特利尔总领事管总领事和教育参赞 以及其他人士出席的魁北克省议会大厅发表演讲。

3. 2015年6月13日,吴柯获得了2015 杰出研究和创新奖-这是加拿大蒙特利尔工学院(蒙特利尔大学)的研究和创新最高奖项。在颁奖仪式上,他与大学董事会主席,大学校长,分管研究的副校长和系主任在一起。

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