为什么基础科学值得我们全力投入
1947年12月，某实验室的三位物理学家使用细金线和锗半导体材料构建了一个紧凑的电子器件。这项后来被命名为“晶体管”的发明（于1956年获诺贝尔奖）能够放大和切换电信号，标志着与笨重易碎的真空管时代的彻底决裂。
发明者当时并非追求特定产品，而是在探究半导体中电子行为的基础问题，尝试研究锗晶体的表面态和电子迁移率。经过数月的试验改进，他们将量子力学理论见解与固态物理实验相结合——这项工作可能被许多人视为过于基础、学术或不具盈利性。
他们的努力最终开启了信息时代。晶体管虽常被低估，但却是每部智能手机、计算机、卫星、MRI扫描仪、GPS系统和人工智能平台的基础。通过以惊人速度调制（和路由）电流，晶体管实现了现代及未来的计算和电子设备。
这一突破并非来自商业计划或产品提案，而是源于开放性的、好奇心驱动的研究与发展，得到了重视探索未知价值的机构支持。这需要多年的试错、跨学科合作，以及坚信理解自然——即使没有确定回报——值得付出努力。
晶体管的工作原理
晶体管核心由半导体材料（如锗和后来的硅）构成，这些材料根据结构和电荷的细微调控可导电或阻电。在典型晶体管中，施加在器件某部分（栅极）的微小电压可允许或阻断流过另一部分（沟道）的电流。正是这种简单的控制机制，经过数十亿倍的规模放大，使得手机运行应用、笔记本电脑渲染图像、搜索引擎在毫秒内返回结果成为可能。
虽然早期设备使用锗，但研究人员很快发现硅（热稳定性更好、防潮性更强且储量更丰富）更适合工业化生产。到1950年代末，向硅的转型正在进行，这使得集成电路以及最终驱动当今数字世界的微处理器的发展成为可能。
现代指甲盖大小的芯片包含数百亿个硅晶体管，每个尺寸以纳米计量——比许多病毒还小。这些微型开关每秒开关数十亿次，控制着计算、数据存储、音视频处理和人工智能中的电信号流动。它们构成了当今几乎所有数字设备的基础基础设施。
从实验室到全球产业
全球半导体产业如今价值超过5000亿美元。始于物理实验室实验原型的设备，现在支撑着经济、国家安全、医疗保健、教育和全球通信。
但晶体管起源故事蕴含更深层启示：推动晶体管技术前进的基础理解大多来自联邦资助的大学研究。1950年代某实验室约四分之一的晶体管研究得到联邦政府支持，其余大部分由某通信公司垄断美国电话系统的收入补贴工业研发。
受1945年报告《科学：无尽的前沿》启发，美国政府开始了长期投资基础研究的传统。这些投资在多个科学领域持续产生回报——从核能到激光，从医疗技术到人工智能。
基础研究推动技术突破
以数学家约翰·麦卡锡为例，他在1950年代末于某机构领导首批AI小组，开发了至今仍用于科学计算和AI应用的Lisp编程语言。当时实用AI看似遥远，但这些早期基础工作为当今AI驱动世界奠定了基础。
在1950年代至70年代的最初热情之后，神经网络（当今受人类大脑启发的主流AI架构）在1990年代末和2000年代初的“AI寒冬”期间兴趣衰退。有限数据、不足计算能力和理论差距使该领域难以进展。然而，像杰弗里·辛顿和约翰·霍普菲尔德等研究人员坚持推进。
霍普菲尔德（现为2024年诺贝尔物理学奖得主）于1982年在美国国家科学院院刊上发表论文，首次提出突破性神经网络模型。他的工作揭示了集体计算与无序磁系统行为之间的深刻联系。与同年获诺贝尔奖的辛顿等同事的工作一起，这项基础研究孕育了当今深度学习技术的爆发。
神经网络如今蓬勃发展的原因之一是图形处理单元（GPU）——最初为游戏设计，现已成为AI矩阵密集型运算的关键。这些芯片本身依赖于材料科学和固态物理数十年的基础研究：高介电材料、应变硅合金等进步使得生产最高效晶体管成为可能。
迈向新前沿
我们正进入另一个前沿，探索忆阻器、相变和二维材料及自旋电子器件。如果您在手机或笔记本电脑上阅读本文，您正握着曾经有人对好奇心下注的结果。
同样的好奇心仍在当今大学和研究实验室中活跃——在通常不起眼、有时晦涩的工作中，默默为50年后将渗透我们生活最重要领域的革命奠定基础。
现代经济——包括某视觉计算公司、某软件中心、某科技巨头、某电商机构和某字母机构等巨头——如果没有卑微的晶体管和对知识的热情，推动科学家不懈好奇心，将是不可想象的。
下一个晶体管可能完全不像开关。它可能来自新型材料（如量子、有机-无机混合或分层类型）或我们尚未想象的工具。但它需要相同要素：扎实的基础知识、资源、追求开放性问题的自由——以及最重要的，来自相信值得冒险者的资金支持。
