在科研旅程中實(shí)現(xiàn)生命的價(jià)值
——記浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院研究員沙威

本刊記者 劉玉杰

沙威（第一排左3）、周永祖教授（第一排左2）及香港大學(xué)同事

魯迅先生曾說(shuō)過(guò)：“即使慢，弛而不息，縱會(huì)落后，縱會(huì)失敗，但一定可以達(dá)到他所向的目標(biāo)。”由此可見(jiàn)，努力與堅(jiān)持對(duì)一個(gè)人的重要意義?；厥鬃约旱目蒲兄?，沙威坦言：“一路走來(lái)并不十分平順，每一步都遇到了許多困難。但是，每當(dāng)靠著信念堅(jiān)持到最后一刻，所有困難都迎刃而解了?！彼f(shuō)，自己不是一個(gè)天才，只是向著心中目標(biāo)默默努力的人，通過(guò)努力他抓住了機(jī)遇，轉(zhuǎn)變了命運(yùn)，遇見(jiàn)了更好的自己。

2017年，作為國(guó)家第13批國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者的沙威，來(lái)到了浙江大學(xué)。在這一新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，沙威已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的研究中繼續(xù)前行，努力做出更優(yōu)秀的科研成果。

充滿魅力，計(jì)算電磁學(xué)應(yīng)用廣泛

世界上的科研工作者總是在為解決不同的科研或工程問(wèn)題而不停努力著。作為一名基礎(chǔ)科研工作者，沙威所做的主要工作就是針對(duì)一個(gè)科學(xué)或工程問(wèn)題建立物理模型，并根據(jù)物理模型探索精確高效的數(shù)值求解方法，用得到的數(shù)值結(jié)果理解相關(guān)的物理現(xiàn)象，并以此指導(dǎo)工程和科學(xué)設(shè)計(jì)。

在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域，麥克斯韋方程組是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀(jì)建立的一組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。它可以推論出電磁波在真空中以光速傳播，并進(jìn)而做出光是電磁波的猜想。從這個(gè)基礎(chǔ)方程的相關(guān)理論，科學(xué)家們發(fā)展出了現(xiàn)代的電力科技與電子科技。沙威的主要任務(wù)就是通過(guò)高效精確地求解麥克斯韋方程，從而對(duì)不同電磁波段的工程和科學(xué)問(wèn)題做出解答。

在太陽(yáng)能研究領(lǐng)域中，太陽(yáng)光的吸收過(guò)程可用麥克斯韋方程來(lái)描述。但電子和空穴的傳輸、收集過(guò)程，實(shí)際上是被漂移擴(kuò)散方程所主導(dǎo)。在該領(lǐng)域中，沙威除了求解麥克斯韋方程還會(huì)求解其它與麥克斯韋方程相耦合的漂移擴(kuò)散方程來(lái)探知太陽(yáng)能的工作原理，優(yōu)化科學(xué)家的設(shè)計(jì)，幫助實(shí)驗(yàn)學(xué)家理解相關(guān)的物理現(xiàn)象。

同時(shí)，從沙威的描述中，記者了解到，這種基礎(chǔ)計(jì)算科學(xué)的神奇之處在于：它可以適用于很多領(lǐng)域，能將多個(gè)學(xué)科聯(lián)系起來(lái)，一樣的數(shù)學(xué)物理方程可以解釋不同的物理現(xiàn)象，例如泊松方程不僅可以解釋靜電場(chǎng)問(wèn)題還能解釋熱傳導(dǎo)問(wèn)題，熱等離子體方程不僅能解釋空氣中電離的熱等離子體的運(yùn)動(dòng)還能在光學(xué)波段刻畫(huà)金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又很類(lèi)似流體動(dòng)力學(xué)中的斯托克斯方程。盡管這些領(lǐng)域不同，但都能通過(guò)求解一樣或相似的數(shù)學(xué)物理方程來(lái)研究科學(xué)問(wèn)題。在研究方程求解、物理模型的過(guò)程中，不同領(lǐng)域不同物理現(xiàn)象之間的相似、不同與連接，會(huì)讓科學(xué)家們對(duì)物理世界的理解和認(rèn)識(shí)得到進(jìn)一步的深化、提升和更新，而正是這種交叉學(xué)科的魅力在深深地吸引著他。

不斷開(kāi)拓，科研路上積淀成長(zhǎng)

生命中的挑戰(zhàn)會(huì)幫助你發(fā)現(xiàn)新的自我。本科期間，沙威就讀于安徽大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)，在眾多學(xué)科中他對(duì)電磁學(xué)展現(xiàn)出獨(dú)有的興趣。電磁波看不見(jiàn)摸不著，其中蘊(yùn)含的道理只能去想象，這一切激發(fā)了沙威極大的好奇心。一直以來(lái)，沙威喜歡用計(jì)算機(jī)程序去模擬物理現(xiàn)象，從事這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，更能把工程問(wèn)題與數(shù)學(xué)物理知識(shí)結(jié)合起來(lái)，即便相關(guān)研究對(duì)他而言充滿挑戰(zhàn)，但他仍樂(lè)于深入其中進(jìn)行探索。

從本科到博士，沙威在安徽大學(xué)度過(guò)了9年時(shí)光，獲得了電磁場(chǎng)與微波專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。2008年博士畢業(yè)后，為了能在專(zhuān)業(yè)研究中有更多的成長(zhǎng)與進(jìn)步，沙威選擇前往香港大學(xué)電機(jī)電子工程系從事博士后研究，并從2012年開(kāi)始擔(dān)任香港大學(xué)電機(jī)電子工程系研究助理教授、博士生導(dǎo)師。

在香港大學(xué)任職期間，沙威對(duì)經(jīng)典計(jì)算電磁學(xué)、微納量子計(jì)算電磁學(xué)及電磁學(xué)多物理場(chǎng)分析領(lǐng)域均開(kāi)展了研究工作，他將物理模型、數(shù)值算法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，做出了前沿性、創(chuàng)新性和高影響力的科研工作。

隨著納米制造工藝的飛速發(fā)展，和通信業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)信息傳輸及處理的迫切需求，設(shè)計(jì)小型化、短波長(zhǎng)、快速率、超寬帶的電磁器件成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，微納結(jié)構(gòu)電磁建模與仿真課題的重要性和緊迫性已日益凸現(xiàn)。面對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的諸多挑戰(zhàn)，近5年來(lái)，沙威團(tuán)隊(duì)圍繞微納結(jié)構(gòu)中非線性、量子效應(yīng)及光電耦合效應(yīng)的理論分析和模擬仿真的前沿問(wèn)題，開(kāi)展了非線性、量子計(jì)算電磁學(xué)，多物理場(chǎng)分析及其相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

與安徽大學(xué)導(dǎo)師吳先良教授

在麥克斯韋和薛定諤方程統(tǒng)一辛框架方面，沙威系統(tǒng)分析了兩個(gè)方程的數(shù)值穩(wěn)定和色散性，構(gòu)造了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最高時(shí)間穩(wěn)定度的辛算子，解決了傳統(tǒng)時(shí)域方法穩(wěn)定度低的難題；在國(guó)際上率先提出了高階共形和子網(wǎng)格技術(shù)，解決了電大曲面目標(biāo)時(shí)域電磁散射高精度數(shù)值計(jì)算的難題，證實(shí)了保辛結(jié)構(gòu)算法在長(zhǎng)時(shí)間電磁仿真中的優(yōu)勢(shì)；建立了麥克斯韋—薛定諤耦合方程的辛框架，實(shí)現(xiàn)了多物理場(chǎng)時(shí)域仿真的能量守恒和高穩(wěn)定性?；谛了惴ǖ南到y(tǒng)研究工作，沙威和安徽大學(xué)的吳先良教授、黃志祥教授共同榮獲安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)類(lèi)二等獎(jiǎng)。其對(duì)高階辛算法的研究，不僅對(duì)解決電大復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射問(wèn)題開(kāi)辟了新的理論框架和數(shù)值解法，還為多物理場(chǎng)辛框架的建立奠定了基礎(chǔ)。

在微納結(jié)構(gòu)中的非線性、量子電磁效應(yīng)的建模方面，為解決商業(yè)軟件無(wú)法模擬納米金屬結(jié)構(gòu)非線性電磁散射這一難題，沙威團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)展了麥克斯韋—流體動(dòng)力學(xué)求解器，并同香港大學(xué)的姜立軍教授、熊曉燕博士合作，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了全金屬結(jié)構(gòu)二次諧波的高方向性輻射。在量子電磁學(xué)領(lǐng)域，不同于傳統(tǒng)的庫(kù)倫規(guī)范，沙威和其合作者初步建立了洛倫茲規(guī)范下的半經(jīng)典和全量子理論框架。通過(guò)微納計(jì)算電磁學(xué)的研究可發(fā)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)中新的非線性、量子電磁效應(yīng)和現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效、低耗的工程設(shè)計(jì)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)過(guò)程的人力、物力、財(cái)力，并總結(jié)出通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

在等離子體有機(jī)光伏器件的多物理場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)方面，沙威發(fā)展了積分方程—快速傅里葉變換、頻域有限差分、模式匹配等嚴(yán)格的數(shù)值方法，解決了納米結(jié)構(gòu)光電池的電磁學(xué)建模問(wèn)題。同時(shí)，他開(kāi)拓了統(tǒng)一的有限差分框架和多波前快速算法，聯(lián)合求解麥克斯韋和漂移擴(kuò)散方程，率先建立等離子體有機(jī)光電池的多物理模型。其在有機(jī)光伏器件光電特性的建模和設(shè)計(jì)上所做的一系列研究工作，對(duì)多物理場(chǎng)分析、光電子器件物理、及推動(dòng)新一代環(huán)保、低成本、高效率光電池的產(chǎn)業(yè)化，有重大的理論和工程意義。

另一方面，在香港大學(xué)任職研究助理教授期間，沙威還建立了與香港大學(xué)周永祖、蔡植豪、姜立軍教授的長(zhǎng)期合作。同時(shí)，也保持和國(guó)外其他教授的密切合作或聯(lián)系。這些經(jīng)歷都為沙威將來(lái)開(kāi)展科研和教學(xué)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

回顧起自己的學(xué)習(xí)、研究經(jīng)歷，沙威喜歡用“兩個(gè)9年”來(lái)概括，分別在安徽大學(xué)和香港大學(xué)度過(guò)的9年時(shí)光，成為了沙威青春歲月中最美好的記憶?，F(xiàn)如今回憶起來(lái)，心中只有滿滿的感恩與懷念。

在安徽大學(xué)學(xué)習(xí)期間，沙威在導(dǎo)師吳先良教授的引領(lǐng)下，研讀了許多有關(guān)于數(shù)值方法方面的論文，打下了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。來(lái)到香港大學(xué)后，沙威的研究方向從單一的數(shù)值方法演變到了更為豐富的物理建模，在物理基礎(chǔ)方面有了質(zhì)的進(jìn)步。此外，在研究課題的選擇上，香港大學(xué)的周永祖教授針對(duì)行業(yè)研究現(xiàn)狀，建議沙威將自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)投入到能源領(lǐng)域的研究中，而這一課題不僅是目前國(guó)家最為注重的戰(zhàn)略方向之一，而且可以做延續(xù)性、系統(tǒng)性的研究。對(duì)此，沙威在科研課題的選擇上受到了很大啟發(fā)。在工程技術(shù)方面，沙威非常感謝自己在安徽大學(xué)期間一起工作學(xué)習(xí)的同事，那時(shí)候沙威與同事們一起研究了許多計(jì)算機(jī)相關(guān)的技術(shù)，而這些技術(shù)對(duì)他今后從事計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工作十分重要。這些經(jīng)歷、這些人都是沙威人生中最寶貴的財(cái)富。

無(wú)論何地，永不改變的科研初衷

2017年，沙威來(lái)到了浙江大學(xué)繼續(xù)自己的科研之路，面向多物理仿真領(lǐng)域、光電子產(chǎn)業(yè)更高的需求，開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)揮自己更大的科研能量。秉承著為國(guó)家的科研事業(yè)做出更多貢獻(xiàn)的初心，沙威決定在這一平臺(tái)，繼續(xù)科學(xué)研究。

沙威深知，在電磁學(xué)多物理場(chǎng)分析領(lǐng)域目前存在的問(wèn)題還很多。身處多物理交叉領(lǐng)域，更需要學(xué)生具備多學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備，在科研人員的培養(yǎng)上仍需付出大量努力。此外，科學(xué)家還應(yīng)具備找到重要的、需要攻克的多物理問(wèn)題的能力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行物理建模，在能夠很快地服務(wù)于工程與科學(xué)設(shè)計(jì)的前提下，發(fā)展更快、更為精確的數(shù)值算法。

來(lái)到浙江大學(xué)之后，沙威希望自己能夠有更多的時(shí)間和精力做一些基礎(chǔ)性的科研工作。他說(shuō)：“現(xiàn)如今做基礎(chǔ)性科研工作的人很少，但是在太陽(yáng)能等相關(guān)領(lǐng)域?qū)σ恍┪锢砥骷慕＿@種基礎(chǔ)性科研工作還是不夠?！彼Ｍ軌蛲ㄟ^(guò)和團(tuán)隊(duì)成員的共同努力，在這一領(lǐng)域中逐步前行，培養(yǎng)更多的科研人才，達(dá)到足以與其他國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。

和香港大學(xué)同事在赤柱海灘

在團(tuán)隊(duì)建設(shè)上，沙威希望能夠循序漸進(jìn)地招募學(xué)生，成立一個(gè)10人左右的團(tuán)隊(duì)，沙威說(shuō)：“科研團(tuán)隊(duì)不需要很大，這樣他才能夠?qū)⒆约鹤銐虻臅r(shí)間和精力，分配給每一個(gè)學(xué)生?！弊鳛橐幻碚撗芯抗ぷ髡?，沙威也非常注重與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合；在培養(yǎng)學(xué)生方面，他也會(huì)結(jié)合學(xué)生的興趣，因材施教，給予他們建設(shè)性的指導(dǎo)。而在與學(xué)生的相處上，相較于嚴(yán)厲的風(fēng)格，沙威更傾向于以一種亦師亦友的模式與學(xué)生們相處。他常說(shuō)，自己與學(xué)生是同一個(gè)“戰(zhàn)壕”的戰(zhàn)友，就像朋友一樣。在日常生活中，他也會(huì)給學(xué)生們講述自己對(duì)于生活的理解，對(duì)于世界、藝術(shù)的看法，與他們交流做人做事的道理，不僅在專(zhuān)業(yè)水平上能夠讓學(xué)生信服，在世界觀、價(jià)值觀、人生觀上，他也希望能夠和學(xué)生建立共同語(yǔ)言，從而與之一起更好地投入到科學(xué)研究之中。

面對(duì)未來(lái)，無(wú)懼挑戰(zhàn)堅(jiān)定前行

科研工作者總是與壓力并肩同行，但沙威從沒(méi)有過(guò)一絲抱怨。一路走來(lái)，“永不放棄”始終是沙威心中永不磨滅的信念。面對(duì)困難，他一直試圖從各種途徑尋找突破口，從未間斷過(guò)學(xué)習(xí)。

對(duì)于沙威而言，從事科研工作并不像他人認(rèn)為的那樣無(wú)聊與枯燥，他始終認(rèn)為科研很美，像一幅畫(huà)、一段音樂(lè)、一首詩(shī)，在推導(dǎo)與求解方程中會(huì)發(fā)現(xiàn)科學(xué)的另一種美，在突然領(lǐng)悟一個(gè)物理概念時(shí)，就會(huì)有一種“驀然回首，那人就在燈火闌珊處”的頓悟之感。此外，科學(xué)是強(qiáng)大的，它能解決很多實(shí)際問(wèn)題，它的強(qiáng)大之處只有在不斷攀登的過(guò)程中，才可體會(huì)，而這些都在深深地吸引著他。

從事科研多年來(lái)，沙威很少有屬于自己的空閑時(shí)間。但即使工作再忙，他仍會(huì)強(qiáng)迫自己抽出時(shí)間進(jìn)行鍛煉，寫(xiě)作也是他分享心情的出口。他說(shuō)，人只有熱愛(ài)生活，才能從生活或者研究中挖掘到一些閃光的、具有“生命性”的、值得你努力的東西，這種“獲得”是發(fā)了多少學(xué)術(shù)文章、賺了多少錢(qián)永遠(yuǎn)無(wú)法媲美的。他感恩在這一路上，自己遇到了許多走入生命中的朋友，與他們一起前行、交流學(xué)習(xí)，他倍感幸福。

未來(lái)，沙威仍將把科研人才的培養(yǎng)放在第一位，通過(guò)申請(qǐng)科研項(xiàng)目來(lái)解決一些重要的工程及物理問(wèn)題，加強(qiáng)與光電子和通訊企業(yè)的合作，在開(kāi)源軟件的自主研發(fā)上貢獻(xiàn)力量，和其他老師聯(lián)合組織一些研討會(huì)，增加自己的個(gè)人影響力，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)這一途徑，將自己的知識(shí)進(jìn)行傳遞與交流……

在實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的科研旅程中，沙威從未停止前行！