■ 编者按
这篇文章是根据中科院上海天文台的葛健教授在2022年10月20号由中科院上海分院组织的第5期“报国讲坛”的演讲内容整理、修改、补充和完善而成的。主要的目的是通过科研体会和故事来启发我国年轻人认识和养成从0到1的原始创新的思维和习惯，并通过大家的共同的长期努力逐渐提高我国的整体原始创新能力。以下就是演讲的正文。
大家好！我是葛健！
感谢中科院的各位领导以及学者们参与这个活动！今天非常荣幸能够与大家就“原始创新”这一话题分享我的一些故事与体会。
党的二十大指出，“必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”，这意味着身为科研人员的我们，拥有优秀的创新思维能够促使基础科学与应用技术的进步，同时有利于中国全面建设社会主义现代化的国家。
而在这一基础上，我想强调的是，从0到1的原始创新思维，或将成为中国未来发展为顶级强国的最大动力之一。因此，我想以这一点为出发点，分享科学家的创新思维和习惯。
本次分享主要分为五个部分：
1.什么是科学家的原始创新？
2.“钱学森之问”与原始创新。
3.本人原始创新的经历。
4.科学家的初心和使命。
5.与青年科学家分享个人体会。
首先，我来介绍一下我对原始创新科学家的定义，并说明“钱学森之问”与原始创新之间的关系，我还将分享一些我本人原始创新的故事。然后，分析一下我们科学家的初心和使命是什么，当然这也与原始创新紧密关联。最后，我想跟在座的和线上观看的青年科学家们分享有关我个人的一些建议和体会。我希望这次分享能给各位，尤其年轻人，一些启发。
1.什么是科学家的原始创新？
科学家的原始创新就是通过不断地努力实现从0到1，从无到有的科学的原创突破，产生新发现或发明。
首先，我们处在中国如此繁荣昌盛的时代是非常幸运的，能够见证中国各方面的高速发展，我们都会感到无比自豪。
以中国科研方面的进步为例，这些年，我国高质量科研论文层出不穷，高质量国际论文数去年位居全球第二，基本可以说是与美国几乎旗鼓相当。除此之外，中国的创新实力连续九年稳步上升，今年的创新指数位列全球第十二。
尽管如此，创新指数第十二名与第一名还存在一定的差距，中国在原始创新方面仍然还有很大的提升空间。所以，今天我想以所谈“原始创新”的报告为一个契机，希望中国的科研工作者能够更深入的理解“原始创新”的工作，做出属于我们中国的从0到1的伟大的创新成果，让中国创新走上世界更高的位置。
（1）国内外杰出的原始创新科学家
国内，我想在座的大家都知道邓稼先、郭永怀、钱三强、钱学森，再到我们上海天文台的叶叔华院士，他们都是中国从0到1原始创新科学家的典范。
国外，大家应该都认识爱因斯坦，他在26岁的时候就发现了光电效应、狭义和广义相对论等；John Mather是James Webb Space Telescope（JWST）空间韦伯望远镜的资深项目科学家，也是2006年诺贝尔物理学奖获得者；Michael Mayor是2019年的诺贝尔物理学奖获得者，我曾经带的两个博士现在正在他的科研团队做博士后；James Gunn是斯隆巡天的创始人和首席科学家；Roger Angel是我的博士导师。
我所介绍的这些科学家，他们都有一个共同特征——那就是对科学的执着的热爱。正如爱因斯坦说：“Love is a better teacher than duty.” 我认为这里的“Love”应该修改为“Passion”，即“执着的热爱”。一个真正的科学家最重要的特征就是对科学的执着的热爱，这其中包含一种愿意为自己的科学信仰或追求而奉献一生的热情。
（2）原始创新科学家的特征一：执着的热爱（Passion）
我们中国的邓稼先就是一个非常好的例子。1950年，他在美国获得博士后，知道祖国正在新中国建设初期，他抱着满腔为国奉献的热情，放弃美国优厚的待遇，毅然决然回国。到了1958年，中国两弹一星计划正式开始，他当时只身一人在荒凉的西部基地，从零开始领导团队开展核武器的研究，甚至为了国家原子弹试验成功不顾辐射危险，亲自到现场查看试弹情况。他们通过很多年的热爱与奉献，成功研制出了中国第一颗原子弹。这一项突破性的成果在当时铸就了中国的核武器盾牌，奠定了我国国防安全体系的基石，具有里程碑式的意义。遗憾的是，由于多次近距离参与核弹试验受到核辐射的影响（下图），导致他患了直肠癌于1986年英年早逝。类似的情况，居里夫人在放射性研究中发现了两种新元素钋和镭，但她由于长期接触放射性物质，1934年因再生障碍性恶性贫血逝世。
还有中国的郭永怀，在1946至1956年间，他在康奈尔大学任教。同邓稼先一样，得知新中国建设时期亟待发展科学技术后，义无反顾地回到祖国参与两弹一星的项目研究工作。令人敬重的是，1968年12月，他在做热核武器试验的中途由于飞机失事而离去，失事时仍然用自己的身躯保护好研究期间珍贵的导弹热核武器试验资料。最终，中国第一颗由导弹投射的热核武器于同月试验成功。
从这里能看出，这些科学家都有为科学奉献的热情与信念，他们追求的是科学的真理，我觉得这就是“Passion”，是原始创新科学家的一个非常重要的特征。
正是国内这些从0到1的原始创新科学家，他们对科学的热情、对事业的付出与奉献，让中国在建设初期打下了坚实的科学基础与国防实力，我们才得以拥有现在和平的年代、资源充沛的环境，才得以让现在的科研工作者专心做研究，在各个研究领域持续做出成果，不断增强我国的科学基础与国防技术，带领中国获得更高的国际地位。
除此之外，我在美国待了近三十年。在这三十年间我有幸接触了一些世界顶级的原始创新科学家，他们同样有着这样的特质——对科学执着的热爱。
第一位我想提到的就是James Gunn，他是斯隆数字巡天（SDSS）的创始人和首席科学家。在2002年，我在宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）担任终身制轨道的助理教授的时候，被邀请到普林斯顿大学进行访问，分享和推销了一些我的原初想法，也在那时认识了这位教授。交流过后，他说我的想法非常好，从那以后我跟他便有了很多交集，我也对这位老科学家非常尊敬。他创立的斯隆数字巡天项目中，要求巡天望远镜周围特定范围内没有障碍物和建筑物的遮挡，同时这台望远镜尾部做的也比较低，离地面不到一米，空间相当狭窄，但他为了检查他研制的相机工作状况，一到天文台就躺在望远镜下开始检查他的仪器，一躺就是很长一段时间。在2005-2008年，我经常去这个天文台，那里的工作人员有时候会略带抱怨之意说，老科学家经常凌晨三四点钟打电话给他们，提醒他们相机的液氮快没了，赶紧去充液氮（笑）。要知道这位科学家已经70多岁了。而斯隆巡天项目早期产生的关键成果就来自于他一直倾注心血检查和关注的相机。所以说，这位老科学家抱着对科学执着的热爱，保证了斯隆巡天相机能够始终保持良好的工作状态进行观测，这一种热爱让他把科学放在比自己的身体更高的位置，这一精神感染了我。
上图是他在普林斯顿大学的地下室办公室，为什么他不待在普林斯顿大学分配的corner office呢？因为他喜欢琢磨仪器电子学，一没事就跑到地下办公室琢磨他的电子器件。这也是为什么他能够把相机做得那么好，并且能在斯隆巡天观测中获得非常好的观测效果，让世界上很多科学家长期使用他的斯隆巡天的观测数据，这也是关键原因之一。
第二位我想介绍的科学家是John Mather，他是James Webb Space Telescope（JWST）的资深项目科学家，因发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱线和各向异性获得了2006年的诺贝尔物理学奖。最近他跟我说，他正在推动空地结合的星影（starshade）系外行星成像（Hybrid Observatory for Earth-like Exoplanets（HOEE））项目。像下图里的那样，在地球同步轨道上展开一把“大伞”，这种想法可能有一点科幻的感觉。这一把非常大的花瓣形的“伞”能够将恒星的光挡住，然后在地球上用30米的望远镜接收被挡住光的恒星周围的系外行星发射来的光，并获得精准的行星光谱，甚至能够看出行星上季节性的变化。他也非常支持我们地球2.0项目的工作，并谈到可以用他们的技术去对太阳系外“第二颗地球”的候选者进行成像和获得光谱，以此判断该行星是否与我们居住的行星地球高度相似，从而发现真正的地球2.0。
这位科学家已经76岁了，获得了很多荣誉，但是现在仍然保有着对科学的热情、为所追求的科学而付出，这实际上就是一种“Passion”。我也曾经看过他的自我介绍，他从小就喜欢科学且一直保持这种状态至今，我觉得这是一件非常了不起的事情。所以，我希望在座的年轻人能够去学习他这种精神，也去追求自己热爱的事情。
第三位科学家是Michel Mayor，他因1995年采用视向速度法观测到了首颗绕着类太阳恒星转的系外巨行星获得2019年的诺贝尔物理学奖，我跟他也有一些交集。我曾经在佛罗里达大学培养的两位博士现在在他的团队做博士后。我跟他上一次见面应该是在2014年在越南举行的一次国际会议上，当时我跟他聊天，他说：“你看我现在终于不再去智利欧南天文台观测了。”（下图）我想大家都知道，对天文学家来说，观测就是生命，但是天文观测是非常辛苦的——持续在高山上，白天黑夜颠倒。这位老科学家一直进行天文观测到72岁，他跟我说，从那时开始才慢慢地将观测任务交给年轻人。这就是我看到的西方科学家对科学执着的热情，我也希望能够看到我们中国科学家同样有如此热爱，有了热爱和热情是能做出伟大成果的。
最后我想介绍一下我的博士生导师——Roger Angel，他是一位非常有趣的人。首先，他确实是个天才。在1996年，刚好是在我的博士生阶段，他获得了麦克阿瑟天才奖。同时他也是英国皇家科学院院士和美国科学院院士、世界新时代大型天文望远镜之父，有非常多的望远镜都是由他设计并制作的，比如GMT （Giant Magellan Telescope，大麦哲伦望远镜）， LBT （Large Binocular Telescope，大型双筒望远镜）， LSST（Large Synoptic Survey Telescope，大型综合巡天望远镜）等等。他的原初研制大型望远镜的想法是基于非常简单的原理，也就是牛顿水桶实验原理，当一个水桶旋转起来表面就自然变成抛物线。他使用同样的原理把玻璃放入高温加热炉中融化后再旋转起来，就可以把玻璃表面制成做望远镜需要的抛物面，这个想法等他在家后院实验成功后就变成一个划时代的想法，能做出非常大的望远镜，所以后来他就做成了世界上很多大的望远镜。
现在他81岁了，去年我们本来要给他庆祝80岁生日，但是后来由于疫情再加上他生病了，所以我们没能举行生日纪念会议。
说到这里，想提一下最近发生的一件事情，我的好朋友，爱因斯坦探针（EP）项目的首席科学家袁为民教授最近跟我联系说：“你知不知道我们龙虾眼终于成功了！人类可以首次使用龙虾眼在太空中进行广角度 X射线观测了！”他说，这个龙虾眼的设计最初是基于我导师在1979年提出的一个想法。他说三十年后，我们中国科学家终于实现了这个想法。于是我就跟我导师联系，Roger向中国团队的杰出成果表示祝贺。在交流期间，我导师又向我分享了他的最近一个全新的有创意的想法——用一款等效于80米口径的廉价光学望远镜阵（LFAST， the Large Fiber Array Spectroscopic Telescope，大型光纤阵列光谱望远镜）直接获得太阳系附近宜居类地行星的大气透射光谱，探测行星的生命迹象。这一技术能直接应用于我们的地球2.0项目，在我们探测系外宜居行星的时候，能获得行星大气透射光谱，从而分析行星上是否存在水分与氧气等生命需要的气体成分和大气环境。
从上面各种介绍来看，这些一流的科学家，他们总是不停地产生新的原初的想法，有了成熟的想法后就立刻行动与推进。就像我的导师，他已经81岁了，但是现在还在推进他的LFAST项目。不同于目前同等口径的大型望远镜十几亿美元的造价，他希望能够用更少的造价（如几千万美元）获得更好的观测效果。下图是我导师趴在一个8米级的望远镜上，正在仔细检查望远镜。
我认为不断地产生新的想法并付诸实践，这是一件非常了不起的事情。也就是说，如果今后我们有了类似的原初想法，我们需要立刻推进，说不定就会做出意想不到的成果，从而产生新的科学突破。
（3）原始创新科学家的特征二：从无到有（0到1），敢于冒险
原始创新科学家的另外一个特征则是从无到有，这种0到1的突破通常是非常困难的。
这里我想提到我们中国科学院上海天文台的老台长——叶叔华先生，我相信在座的很多人或多或少地都了解过叶叔华老台长的事迹。可以这么说，没有叶叔华院士就没有如今的上海天文台。最初，上海天文台只是上海市徐家汇区的一个观象台。
上个世纪五十年代，叶叔华来到了上海观象台，受命负责建立中国世界时综合系统，这是从0到1的研究。通过无数个日夜的努力，尝试、失败、再尝试，我国综合世界时系统于1963年起达到世界先进水平。
中国世界时系统的成功建立奠定了后来甚长基线干涉测量（VLBI，Very Long Baseline Interferometry）技术的发展基础，同样是一项从无到有的研究（上图）。这个技术需要联合不同地区的望远镜进行同时观测，从而达到一个更大口径望远镜的效果，也因此对多个望远镜远程运作的时间精度校准有很高的要求。如果没有前面世界时综合系统的积淀，VLBI的发展会更加困难。
上个世纪九十年代时，叶叔华开拓“无人区”——创办了天文地球动力学学科及研究领域，负责“现代地壳运动和地球动力学研究”攀登项目，取得了重要成就，于是后来就有了由叶叔华院士倡导并得到亚太平洋地区众多国家和地区支持的“亚太空间地球动力学计划”（APSG）。这些都是从0到1、从无到有的开创性成果。
我认为，能够从无到有地进行一项研究，是一种难能可贵的精神品质。这类原始创新科学家，他们只要认准了一个事物具有价值，无论这件事情之前是否存在研究基础，他们也始终抱有追求真理的热情，敢于冒险，全力以赴去做好。而他们所打下的研究基础，影响了并不只是一两个科学家，而是一两代科学家。所以，我觉得这是一件非常了不起且值得学习的特质。
（4）原始创新科学家的特征三：持续的努力、坚持和百折不挠
以我国的邓稼先先生为例（下图），20世纪50年代末60年代初的时候，研究条件极其艰难。可以想象，他所在西北地区连房子都没有，还需要自己盖房子，也没有研究资料、缺乏试验条件。他们在没有计算机的情况下，好多研究人员一块拿着算盘进行极为复杂的原子理论计算，一日三班倒，花费一年多的时间，经常是夜以继日地工作。
这一时期是中国原子能事业技术被卡脖子的时代，邓稼先带领的研究团队克服了资料少、设备差、时间短、环境恶劣等常人难以想象的困难，最后在1964年，中国成功爆炸了第一颗原子弹，并在此后2年8个月就研制成氢弹，创造了世界上从原子弹到氢弹研制成功的最快的速度。在这种情况下，科学家如果没有努力、坚持和百折不挠的精神，是很难产生这样的成果的。
2.“钱学森之问”与原始创新
为什么我们的学校总是培养不出杰出的科技创新人才？这便是著名的“钱学森之问”。
其实，钱老（上图）所说的“人才”，正是指原始创新的人才，是能够做出改变时代的突破性成果的人才。正如20世纪出现的量子力学、狭义相对论和广义相对论，带领人类走向了物理学的一个新的信息时代，如果没有这种开创性的成果，我们可能还停留在牛顿经典力学的时代。
那么，现在的关键问题在于，为什么中国鲜有科学家做到这一点呢？
我过去近三十年在美国做研究，也在那边工作了很多年，由此感受到了中西文化的碰撞。我也曾想过，为什么我们自己在原始创新这方面做的还有所欠缺呢？在这里，我大概总结了原始创新的三个关键要素。
第一点，中国的应试教育一直在强化我们的意识，答案比提问重要。中国的学生，普遍的主导思维是“归纳思维”，这意味着我们更倾向于从结果入手去归纳总结经验。然而，中国学生却缺乏注重问新的问题的“演绎思维”。“归纳思维”固然重要，但实际上，带着好奇心、学会提问的“演绎思维”才是做科学研究的最重要的一环。一切科学研究都是从提出问题开始的。当我们发现了某些反直觉的现象，要问“为什么会出现这种情况？”，然后带着好奇心去寻找、去研究这些现象后面的机理与本质，正如宇宙微波辐射背景、光的波粒二象性等发现那样。
第二点，我们需要深入理解研究中涉及的概念，找到概念之间的关联，从而找到事物中的规律。
第三点，我们要学会识别和研究工作结果中的不确定性，从而发现新现象、揭开自然规律。
（1）改变思维习惯：代替寻找答案（归纳思维），注重提出新问题（演绎思维）
我们中国人普遍“归纳思维”能力更强，而在“演绎思维”上有所欠缺。那我们如何去加强注重提出新问题的“演绎思维”呢？
实际上，我最初到达美国的时候也不知道怎么问问题。后来通过不断的原始创新的实践之后，我总结了对任何研究课题可以提出三类问题：What（是什么）？How（怎么样）？和Why（为什么）？在这里，我再结合一下中国人的普遍思维习惯进行分析：
我们大部分人的思维主要围绕前两个提问角度对所观察到的现象进行剖析，包括古代中国人的智慧，他们所做的一些发明，都主要围绕前两个提问角度进行研究，即What it is和How to make it。也就是说，他们在获得一个发明前，会首先确定的要发明什么，然后再去思考如何实现，这是中国人的两个普遍的提问角度。
但对于第三个提问角度——为什么，我们往往思考的不够，而这一提问角度往往通向问题与现象最本质的地方。尤其是基础科学研究，在一个前人没有探索过的领域，我们要学会问为什么，让好奇心去驱使我们更进一步地探索、寻找问题的更深层次的答案。
以我们的一位老前辈赵忠尧先生为例，他是我们中国科学技术大学近代物理第一任系主任、中国著名核物理学家，于1927年赴美国加州理工学院攻读博士（下图），当时师从诺贝尔物理学奖获得者密里根教授。1929年，他在做硬γ射线的实验的时候，发现该高能量光子束在通过重金属铅时出现了“反常吸收”的现象。虽然他在这个发现之后也继续做不同实验来研究究竟发生了什么， 但在研究手段、方法和想法，包括问“Why”方面很可能由于早期教育的局限等原因还存在做原始创新研究的一些短板。
与此同时，他的一位同班同学，Carl Anderson（上图），也是师从密里根教授，对他的发现很感兴趣。后来在1932年，Anderson在研究宇宙射线时发现了云雾室中和电子相似的粒子的轨道反转现象。这个实验结果使Anderson想起了狄拉克的宇宙中存在反物质的预测，并联想到电子轨道反转现象也许就是电子的反物质正电子造成的。于是，他在那一年宣布发现了正电子，并于1936年获得诺贝尔物理学奖。这一发现是人类物理学历史的一个里程碑，证明了宇宙中确实存在反物质。
后来我在Wikipedia（维基百科）上了解到，Anderson在年老时也承认他当时实际上是受到了赵忠尧工作的启发，并继续往问题更本质的方向推进研究。所以，赵忠尧先生由于多种原因失去了发现正电子的机会，与诺贝尔物理学奖失之交臂，我觉得这是非常可惜的。
（2）注重概念的理解，深入认识与研究概念之间的关系
原始创新第二个方面：注重概念的理解、研究概念之间的关系。
其实人类对世界的认识始于概念，世界在我们的思维中是由概念和概念的组合体（模型）组成的。所以，我们需要把每一个概念弄清楚，保证所有认知的概念都是正确的，这样才能构成一个正确的模型。类比近几年被广泛应用的人工智能，通过计算机算法模拟人脑对真实世界各种概念的理解，算法会输出一个训练好的模型，这个模型能够完成特定的任务。如果我们给机器学习的样本灌输的经验存在错误，那么最终训练好的模型在指定的任务中是一定会出错的。
关键概念之间的关系是Law和Principle（规律和原理）。当我们聚焦研究重大科学问题的时候，经常会遇到很多概念。那么一个现象和一个问题背后的最本质的东西，通常就是这些现象和问题背后每个概念之间的关联。在这里提及一下我从小就崇拜的爱因斯坦，他16岁的时候（上图）就思考时间、空间以及光速不变这三个概念。当时，美国科学家迈克尔逊和莫雷已经证明了以太不存在和光速不变，爱因斯坦就光速不变这一概念开始思考：“如果光速不变，我要是以光的速度跟光一起运动，那我看到的光的形态是什么样呢？”关于这一问题，他从16岁一直琢磨到26岁（上图）。大家都知道爱因斯坦在26岁那年发表了4篇重要论文，几乎每篇都是诺贝尔级的工作。当然，他提出的狭义和广义相对论还没来得及获诺贝尔奖，获奖的是他光电效应的工作。但是不管怎么说，他对时间、空间、光速不变这个概念的琢磨最终使他构建出了狭义相对论，后期对物质存在的思考产生了广义相对论这一理论。实际上，爱因斯坦琢磨的这三个概念都是很基础的概念，如果我们像他一样注重概念的理解与思考，说不定能获得更出色的成果。
这里举个简单的例子显示对关键概念的理解就很容易理解狭义相对论原理（上图），在比方一个运动的车里面，一个人(B)在车中测量时间，用光子在这相距d的两个镜面上来回反射次数n来记时间，结果他测得的时间就是nd/c，其中c为光速。与此同时，另一个人(A)要是在车子外面静止的地方观测光子的运动的时候，他看光子的轨迹要比在车中光子走的要长。因为光速不变，我们能唯一解释这种现象就是要让在静止系观测的时间变长，这就是狭义相对论的时间延迟效应。只要搞清这中间的时间、空间和光速不变这三个概念之间的关系，你就把相对很难理解的狭义相对论原理搞清楚了。
所以，我希望在座的年轻学者或科学家，如果你们想做一些真正原始创新的工作，搞清楚关键概念与概念之间的关系则是非常关键的一环。
除了爱因斯坦外，还有一个非常有趣的例子。20世纪最伟大的发现应该就是哈勃定律（Hubble Law），这一发现改变了人类对宇宙的认知。那么哈勃定律是如何被发现的？实际上，早在1912年哈勃定律出现之前，美国天文学家Vesto Slipher（下图）就得到了“漩涡状星云”的光谱，结果显示许多光谱都具有多普勒（Doppler）红移效应，但不知道为什么。十几年后，哈勃在做观测时（下图），利用造父变星的光变周期与光度成正比的规律作为宇宙中的标准烛光来测量漩涡状星云的距离，结果发现仙女座星云离地球的距离比原先估计的要远很多，并确认了它是银河系之外的和银河系大小相当的星系。哈勃继续测量了几十个漩涡状星系的距离和速度，发现星系距离地球越远，退行速度越大，得出了宇宙在膨胀的结论。
有时候，科学探索的过程是非常“无聊”的。哈勃在观测宇宙星系红移现象时，测量星系退行速度、星系的距离等等，需要日夜颠倒不停地观测，这种事情是需要耐得住寂寞的。当然，这也进一步说明了这些原始创新科学家都有坚韧的品质。与其抱怨一直没有得到新的结果，不如去追求概念之间最本质的关系，以此找到自然界的规律。很难说哈勃不是靠对真理的追求、对科学的热爱与坚持，最终在反复观测的数据中得出了星系远离速度和距离呈线性相关的结论，即宇宙不是静止不变的，而是正在膨胀。
二十世纪另一伟大的发现是：星系中存在暗物质。这一发现由Vera Rubin完成的（下图）。我们知道，哈勃定律描述了星系退行速度与星系到地球的距离之间的关系。Rubin本希望测量星系的退行速度，以此探究哈勃定律是否正确。但由于Rubin所做出的结果频繁地引发争议，这让她觉得压力很大。于是，她决定换一个感兴趣但又不是那么热门的方向潜心钻研——仙女座星系的旋转。Rubin在观测星系中恒星旋转线速度的时候，发现恒星绕转线速度与恒星距星系核的距离无关，即星系中任一距离的恒星的绕转线速度几乎相同（下图），这一发现与牛顿万有引力定律预测相悖。Rubin带着好奇心继续系统观测了更多的星系旋转特征，仍然得到相同的结果。为了保持星系外部的恒星的旋转运动长期稳定，需要在可见物质之外引入数倍于可见物质的无形的暗物质来提供额外的力，将这些恒星束缚起来。Rubin的观测结果无疑给“暗物质”的存在提供了关键证据。
现在看来，Rubin在她对星系中恒星测量的研究过程看起来似乎很轻松，但实际情况是上一幅曲线图（上图）中的每个曲线的测量很可能需要她付出很多年的白天黑夜、重复性的努力，这就是前面我所提到的坚持。她对关键概念的把握和对反常现象的好奇，也是促使她做出伟大成果的原因之一。现在智利的Vera C. Rubin天文台（以前叫LSST）就是以她的名字命名的。这个天文台使用的望远镜的设计是基于我的导师Roger Angel的原初的暗物质望远镜（DMT）的想法。
2020年的诺贝尔物理学奖授予了对银河系中心超级黑洞的发现的主要贡献者，Reinhard Genzel和Andrea Ghez （下图）。Reinhard Genzel和Andrea Ghez通过测量银心周围的恒星的位置与时间之间的关系，即恒星运动的轨道特征（下图），发现在银河系中心大概太阳系这么大的一块地方存在一个将近四百万倍太阳质量的超级黑洞。因此，重大的原初创新，一定要注意关键概念之间的关系，像前面提到的星系退行速度与星系距离的关系、恒星绕银心转的位置和时间之间的关系。
（3）识别和研究工作结果的不确定性来发现新现象、揭开自然规律
第三点与前面两点同样重要，魔鬼和真理都在不确定性中。历史上无数次重大发现都是在不确定性中错过了机会。
前面我提到了Michel Mayor，他和他的学生在1995年发现了首颗太阳系外的巨行星，获得了2019年的诺贝尔物理学奖。实际上，早在1988年，加拿大天文学家Bruce Campbell和Gordon Walker在分析他们的恒星视向速度观测数据时，发现Gamma Cephei A这颗恒星周围似乎有一颗类似木星的行星信号（下图），并在美国天文年会上公布了这个结果。然而，后来他们在分析观测数据中的恒星活动成分时，发现之前所观测到的“系外行星”信号与恒星活动的周期信号很相似（下图），于是就认为之前的发现也许是恒星活动而非系外行星导致的。面对这个不确定，他们选择了投票来确定这一信号是否是行星信号，最后的投票结果倾向于这不是一颗系外行星，他们便撤回了这一结论。我在2003年去加拿大British Columbia大学访问的时候，碰到一个与Gordon Walker关系非常好的做恒星活动的科学家Jaymie Matthews，他当时投了一个关键的反对票，他跟我说这挺让他后悔的。
大家看上面这幅图，我们现在一看，是不是感觉恒星活动与系外行星的周期信号非常相似？在没有真正发现系外行星之前，这些数据间始终存在我前面所提到的不确定性。当时，这些科学家他们也觉得恒星活动与系外行星周期信号是相似的。实际上，只要他们再花时间获得更多的数据做仔细分析，就可能会有新的重大发现。直到2003年，当另一个团队获得了更多的数据（下图）以后，才发现这两条曲线的周期是不一样的，这就是一个错过了重要发现的典型。如果他们没有错过这次机会，他们就能够提前七八年发现系外行星，然后说不定我们现在已经找到地球2.0了。
当一项研究正处于不确定性阶段的时候，我们更需要花时间去研究它的不确定性，当研究透了，才会有信心去公开发表自己的结果。包括银河系超级黑洞、正电子的发现也是与系外行星发现的道理类似，都是当时的科学家对问题的不确定性采取了进一步研究，不断问“为什么”，从而有了重大发现。
最后总结一下，如果我们想要摆脱习惯性思维从而做出原初创新的成果，从问题、概念与不确定性这三方面入手，说不定会有意想不到的成果。
3.本人原始创新的经历
（1）与诺贝尔奖擦肩而过——没有学会问“为什么”
2011年诺贝尔物理奖颁发给了在发现宇宙加速膨胀中有重要贡献的三位科学家：Saul Perlmutter、Brian Schmidt和Adam Riess。这项研究的核心工作为测量超新星的亮度和距离之间的关系，同时保证测量精度满足要求。在我们看来，这也许是一项非常无聊的工作。为了测量宇宙更远的距离，他们使用大量一型超新星作为标准烛光来测量超新星的距离和亮度。我记得我在研究生期间参加1996年的美国天文年会的时候，正好听到他们在讨论超新星的亮度变暗是否是因为远处有更多的星际尘埃，使得这些超新星出现红化现象，这也是我前面所说的研究的不确定性。后来，他们又进一步做了验证的工作，才确认这种亮度变暗并非是远处的尘埃红化导致的，并于1998年发表文章公布了他们的宇宙加速膨胀的重大发现。
其实，我们在做一项研究的时候，实际上是常常处于“魔鬼”的视角，即我们不知道我们所获得的数据是否存在新的发现，数据分析的结果是否符合我们的预期。大家看下幅图，真正数据分析的时候，遇到的就是这么一点偏差，好多科学家可能会认为是离散点拟合的不够好。如果此时没有进一步研究，那么就可能错过了一个重大发现，我们的工作就被“魔鬼”所吞噬。
在此我想分享一下我本人在美国读博士的第一个研究工作（1992-1993）——不同宇宙模型的观测检验。我于1992年开始在亚利桑那大学天文系攻读博士的时候，我们一位年轻助理教授Jill Bechtold观察了34个宇宙远处的类星体并获得了很多莱曼阿尔法森林（Lyman-alpha forest）吸收线的数据，这些吸收线来自类星体的连续谱被宇宙中含有氢原子（H）的气体云块吸收而产生。由于类星体离我们很远，在它和我们之间会有很多云块，就像我们看到天上有远近不同的云块，太阳光经过这些云块后会变暗，太阳光的变暗就能让我们看到“云块”的存在，同样的道理，通过类星体的光被不同氢原子云块吸收就会给我们留下云块的具体位置，我们就可以把这些云快位置和云快吸收光的多少精确地测量出来。
当时她的文章刚被杂志接受发表，她就把数据跟我们分享了。我们认为莱曼阿尔法森林吸收线的氢原子云块应该还处在宇宙物质早期涨落的线性增长阶段，可以使用宇宙学的线性理论模型来解释。于是我们就使用了当时的三种流行的宇宙学模型：冷暗物质模型、热冷暗物质模型以及A冷暗物质模型来模拟宇宙中的氢云块的分布（位置和大小）和演化。这是爱因斯坦当年称其为宇宙常数。我们模拟的结果显示冷暗物质模型和热冷暗物质模型产生的结果和观测的莱曼阿尔法森林吸收线的强度分布和红移演化观测结果不相符，只有加入70%的A的冷暗物质模型才能和观测相一致（下图）。这就证明了宇宙中存在70%的A。
精确来讲，现在宇宙中存在68.3%的A，这个A现在被称为暗能量。实际上，在1992至1993年期间，我们就发现这个常数存在的观测证据，但并没有对我们的结论的不确定性做进一步分析，于是就跟诺贝尔奖擦肩而过了。
因此，我们这一研究工作犯了原初创新的第一大忌——没有问为什么？为什么宇宙中必须要有大约70%的A？第二个大忌就是没有研究结论的不确定性，没有去深入理解和研究观测数据和理论模型可能存在多大的不确定性。如果我带着现在的思维回到我研究生时期，我就可能会去研究这个不确定性，最后也许会有惊人的发现。
（2）我早期的原创突破性工作
在1992年，Jill Bechtold给了我类星体的吸收线的观测数据，于是我就对宇宙测量感起了兴趣。在1993年的暑假，她建议我用她已有的数据去测量由宇宙高红移的类星体阻尼莱曼阿尔法吸收体（Damped Lyman Alpha Absorbers，DLAs）中的尘埃吸收和散射导致的红化现象。结果我花了一个暑假写codes和做数据分析只测出两个σ的红化统计结果，发现不够显著。文章我很快就写好了，但我不打算投，Jill坚持让我投。结果审稿人建议我们获得更多的样本产生三个σ的结果后再发表。这样这篇论文就没发表，但是我没有气馁。我开始思考虽然做尘埃统计研究的样本不够，但是部分样本有尘埃存在就很可能在那些吸收体中会有分子的存在，因为尘埃可以帮助形成分子。有分子就说明有冷的气体，包括中性碳（C I）的吸收体，所以我就从有红化特征的类星体阻尼莱曼阿尔法吸收体中去寻找宇宙早期的分子和中性碳吸收。于是我就写了4.5米的MMT（Multiple Mirror Telescope，多镜面望远镜，当时世界上第三大望远镜）的观测时间的申请，很快就获得了批准，紧接着就去天文台观测。结果，我们很快就找到了宇宙早期第二例氢分子和中性碳吸收体的存在（下图），这是我早期工作的重大发现。现在我的团队的开创性的宇宙类星体尘埃吸收体和其他吸收体的研究就是起源于我研究生时的这项研究。
除了发现氢分子本身意义重大，这个发现最重要的还在于，我们找到了一个能够测量宇宙背景温度的探针，中性碳吸收体。这是什么意思呢？现在的宇宙背景温度大约为2.7开尔文，考虑到宇宙是膨胀的，那么宇宙演化的早期，它一定是处于更高的背景温度状态。我们想要知道那个时候宇宙的背景温度，就需要一个“温度计”。用什么做温度计呢？类星体阻尼莱曼阿尔法吸收体中发现的中性碳（C I）的吸收体就是非常好的候选者，因为它的电子态的基态的精细结构的能级差刚好在23.6度。当宇宙背景达到了一定的温度，部分的能量高的背景辐射的光子会把中性碳中的处在基态的电子给激发，这样我们测量中性碳的电子处在基态和激发态的数目比例就能够测出宇宙背景温度的。我们最后测得的背景温度与预言的背景温度相一致（上图），这个工作还产生了一定的影响。
尽管是原创突破性工作，这些研究工作主要还停留在回答“What”和“How”的问题层次上，那时我还没有学会问“Why”。因此，当年对宇宙背景温度的测量以及对氢分子的探测就没有做更深入的研究。
（3）早期的前沿研究的困惑和机遇
除此之外，我相信每个科研工作者都可能会碰到一个同样的问题，当我们有了一定数目发现的时候，可能会因为重复性的工作同时不知道它的更深层次的意义时而逐渐地丧失兴趣。就像我刚才说的，观测需要反复获得大量的采样，这种工作是非常枯燥的。我当时也遇到了这个问题——每天重复性的工作，加上我还没有学会问更深层次的问题，觉得这项工作有点简单（其中有点80年代的科大人的高智商和藐视一切的态度。当年我是“无知”的，根本没有意识到世界顶级科学研究不是因为其复杂性而顶级，而恰恰是其规律的简单性而高深。我当年总认为只有广义相对论，量子场论等才高深），我对这方面的工作的兴奋度快速下降，尽管我很快又有了新的氢分子和中性碳的发现。此外，此时的Keck天文台的10米望远镜已开始运行，产生了较MMT有一个数量级质量提高的观测数据，我的部分MMT数据和正在写的一篇论文受到了非常大的影响。当时我就思考做科学研究一定要用一流的设备和数据，只有有了一流的设备才能做出一流的科学（其实我后来才发现相当一部分的一流工作主要来自于一流的想法（ideas）而不是一流的设备，如第一个系外行星的发现等）。因此，对这两个问题的思考使得我对用这个观测宇宙学的研究作为我的博士论文开始犹豫起来。
我当时也在想我是做理论出身的，这种背景的研究人员在美国找工作是有困难的，因为美国更注重实际应用的国家，只有极少数像爱因斯坦那样的顶级理论学家才可以生存下来。于是我就想，万一找不到纯天文的工作，我还是要学点技术，这样可以找个好工作。后来，由于这些科学和实际的考虑，我决定跟我的博士导师Roger Angel去做下一代自适应光学耦合的超高色散光谱仪，虽然我没有任何做仪器的训练和背景（导师一开始也不看好，但到毕业时他说把我插在电源上就可以“发电”了，足见他认为我的能量有多高，下图）。但真没想到，这种大胆尝试给我提供了一个全新的机遇！当然，我也非常努力，很快就把仪器給做出来了（下图）。这个仪器是人类的首次突破。在1998年的两千人国际天文技术大会（SPIE）上，美国自然科学基金的天文部主任把这项进展作为大会上的一个亮点，我导师也因此获得了1百万美元的经费，我也得到了一些荣誉（比如能在导师的乡下避暑地举办我的博士答辩的庆祝会是我在亚利桑那大学期间见到导师举办的首次庆祝会）。
我因为技术和仪器研究工作迎来了人生的转折点，这项工作的突破让我一下子认识了很多人，需要跟很多老师、同学以及工作人员等打交道，同时需要去美国空军天文台做实验，甚至连美国联邦调查局（Federal Bureau of Investigation，FBI）都来与我谈话，我逐渐提升了自己的英文交流和表达能力。在这之前，我每天只需要用几句英文交流。当时我去美国空军实验室使用设备，FBI的工作人员问我，你中国学生跑来我们空军实验室干什么？我说做科研，他们调查我的背景后就不管我了。我可以继续在空军实验室做实验。（笑）我觉得这是一件很有趣的经历。
（4）导师的原始创新的法宝
接下来我跟大家分享一下我从原始创新的导师Roger Angel那儿学到的人生的三个最重要的法宝：Great Vision（战略远见）、Great Idea（大的想法）与Great Selling Power（强的推销能力）。最重要的一点是强的推销能力，因为现在很多想法都是以团队协作为主，你如果有好的研究想法，你需要把它推销出去人家才可能支持你。大家不妨可以试一试这三个法宝。还有一点就是，我认为要干大事的话，大家一定要尝试调动所有的资源，特别是外部的资源而不只是自己的资源，这个是我导师最擅长做的事。我们明明有足够的经费去购买材料和设备，他常常说不要买，去其他导师那儿借！（笑）
我在美国的研究生阶段的五年多期间除了做了很多研究项目外，还干了很多学术方面重要的事情，比如被多次邀请参加会议或访问其他大学和研究所做邀请报告，拿到了过百万的经费，又给人家评审文章等等，教授能做的事情我都能做，于是在研究生第五年，我ego（自我意识）开始有点膨胀。在1997年，我大胆申请排在公立学校前几名的北卡教堂山大学（UNC）的tenured  track（终身制轨道）的助理教授和美国国家光学天文台（NOAO）的tenured  track的助理研究员的位置，并顺利进入了shortlist（前四名），但是最终没有拿到这些位置。当时我们亚利桑那大学的整个天文系的老师都祝贺我，说我这已经足够好了，在这之前还没有研究生能够去跟那些资深的研究人员去竞争这样极有竞争力的位置。那么为什么我能够做到呢？其实这跟我前面所做的原初创新的成果有紧密联系。这些尝试也是我人生的一个转折点。
那为什么他们没有给我助理教授或助理研究员的位置呢？后来有人跟我反馈说，你的导师那么牛，谁知道这些项目和想法是你的还是你导师的，觉得我不够独立、不够原始创新，建议我先去做博士后。如果现在我再回到二十多年前，我可能就会去推销自己，使用我导师的法宝“Great Selling Power”去试图说服我具有很强的独立和原始创新能力的。还有一点，可能也是因为我当时太年轻，说错话了。那个时候我女儿在美国要出生了，而美国又经常报道枪击案，我就担心孩子出生后会不会有不好的经历。在北卡访问时，我使用了我的两个原始创新的工作分别做了一个学术报告和一个讲座（用来评审我的教学能力），结果非常成功，这让北卡物理天文系的系主任特别激动，他临时决定说：“我来送你去机场！”结果赶上下班的rush hour，堵了半个多小时的车，越是堵车他越是要问我问题，问的都不是学术问题，而是社会方面的，包括一些孩子教育之类的各种各样的问题，我这下露馅了！我就将我对美国社会环境方面的担忧一五一十地和盘托出。到了机场后，他就告诉我，说by the way，他有两个孩子在美国读书，他觉得美国的教育挺好的。我一听，完了，肯定是说错话了！（笑）果然，后来招生委员会的主席（chair）就跟说我他们的资深教授（多半是系主任）说我太junior（年轻）了。我想这也是我没被选上助理教授的原因之一。所以说，思想成熟同样重要，对事情的看法需要更全面一些。
（5）博士后的独立的原始创新
虽然没有申请到助理教授和助理研究员，但是劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）邀请我去他们那里做博士后，并提供非常优厚的待遇，这个待遇是当时天文界博士后最高的，相当于助理教授的工资待遇。考虑到国家实验室资源丰富，我也对系外行星特别感兴趣，并且那里有一个年轻的实验物理学家David Erskine有原初想法——用光干涉的方法测量天体的视向速度，与以往使用光谱来观测天体视向速度完全不同，我觉得这个想法很好。于是我就问他是什么原理，他说他们的白光（white light）干涉可以测量激波气体速度，是moire干涉导致的，理论上也能够测量天体视向速度，详细原理他也没能讲清楚，只是说尝试一下。我在那儿待了一年多，跟年轻科学家合作，很快就把这个项目做成了（下图），也是一种原始创新。
我去国家实验室的时候实际上是自带“光环”的，因为他们在我去实验室之前就知道我这个人还是挺厉害的。LDRD（实验室领导的研发）的领导，AndyHazi找我谈话，问我有什么想法。我就把我的一个长期的想法介绍了一下。在亚利桑那大学做红外光谱仪的时候，我发现这类仪器由于需要在低温状态运作，必须控制仪器的体积，于是就很难实现高的色散。于是，我就思考，想尝试使用硅这类高折射率的材料做硅浸没衍射光栅（Silicon Immersion Grating），这样光在通过硅的时候由于速度会减慢（因为硅的折射率为真空的3.4倍），光谱仪的分辨率也因此可以提高3.4倍。国家实验室也正好有工程师在研发硅光栅技术，我很快就联系上了两位工程师，Dino Ciarlo和Paul Kuzmenko，提出我的这个想法，然后就提交经费申请，很快就得到了国家实验室的7万美元的可行性研究的经费。由于我们要做的第一代硅浸没光栅需要上百万的低温光谱仪设备来检验它的性能，但是我们的经费显然不够，于是我又产生了一个新的原初想法，很简单，我想到把反射光栅变成透射光栅，这样就可以把硅浸没光栅放在已有的低温红外相机中来检验。我于是设计了一个Grism，一厘米大小的硅透射光栅，放在Lick天文台3米望远镜的红外相机里，很快就成功获得了预计的交叉高色散光谱（下图）。这就是换个角度看问题！转换了一下思维，解决了实际问题，这是一个原始创新！这个工作成功了之后，国家实验室准备提供上百万的经费让我研发第一代硅浸没光栅光谱仪。但遗憾的是，当时由于李文和“间谍”案使得近百万研究基金计划泡汤，我就打消了继续留在国家实验室做研究的想法。其实，现在回想起来，觉得自己的运气也不错了，不到两年在国家实验室完成了两项原始创新的工作。
（6）美国教授的“创业公司”的独立的原始创新
积攒了这两项成果后，我就开始留神美国大学的tenured track的助理教授位置。在1999年10月份宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）刊登广告招收助理教授的广告，但我当时没有留意截止时间。等我准备申请的时候发现已经错过了他们的申请的截止时间。于是我就问他们还能不能申请，他们说可以，我就把材料寄过去。那边的评审委员会一看我的材料，觉得我这个年轻人有强的原始创新能力，马上通知我让一周内去面试。面试的时候，我能感觉到他们有招收我的意向，于是在乘飞机返航的途中我都激动得掉了眼泪。果不其然，一周后他们打电话给我，给了我offer，并问我的期望薪资、要什么资源等等。要知道，Penn State也是非常aggressive（富有进攻性）的，他们希望能够尽快把优秀的年轻人抓到手，所以就要求我圣诞节前给他们答复，否则这个位置就给其他人了。我当时其实对MIT等其他地方也感兴趣，但像MIT要等到第二年二月份才能面试我。思考了一个月后，最终还是选择了Penn State。
这就是原始创新给我带来的第一个真正的骄傲，花一年多就从博士后变成了助理教授，在美国天文界还是较少有的，这是我的职业发展的一个质的飞跃，我变成了一个真正的独立的科学家。正如Penn State的招收我的系主任，Larry  Ramsey教授所言，美国终身制轨道的助理教授对科学家来讲就如同开启了一个“初创公司”（startup  company），有了启动基金（有点像天使投资），就开始招兵买马，大干一场，自此，我就开始了真正独立的原初创新的旅程！
开始问“Why”之旅，原始创新上一台阶
到了Penn State，我带了几个学生继续研发光干涉技术，研制了一台原理样机（下图）和应用此技术开展视向速度的天文目标恒星观测，很快就做出了一些成果，比如使用光干涉仪器独立核实第一个系外行星，51 Pegasi b的视向速度信号。我的学生们，Suvrath Mahadevan （现在是Penn  State的终身教授）和Julian Van Eyken（现在是NASAExoplanet Science Institute数据科学家）于2002年1月初在华盛顿DC召开的美国天文年会上报告了我们的成果，于是就有很多人来问他们这项技术的原理是什么，他们都没办法把原理讲清楚。我们在开车从DC回大学的路上，学生们问我仪器的原理，我当时也无法解释清楚。我当时为此感到很窘迫（embarrassed），我的人生还从来没有碰到过这种情况，我觉得这是作为导师不应该发生的事情。所以，这里又回到了我前面所提到的原始创新的其中一个关键因素——概念理解。在回来的路上我一直在思考，回到家后我继续思考。第二天早晨淋浴（shower）时，我突然产生了一个想法，直觉这个技术原理正是基于我大学时期琢磨过的一个很简单的等厚光干涉原理（下图）。于是从这个原理出发我很快就把这个技术的关键给搞清楚，并提出了几个大胆的预言。其中之一就是可以使用这种光干涉仪器和中低色散的光谱仪结合来测量视向速度，同时实现在造价便宜、很小的仪器中实现高透光率（下图）。另一个预言就是这种技术适合做多目标视向速度的测量。
很快我的理论研究的结果就发表了。我很快受邀去普林斯顿大学天体物理系和物理系访问，我马上顺便去推销自己的想法。我到普林斯顿大学去跟一些Pundits（顶级专家包括James Gunn、DavidWilkinson （WMAP后来以他命名）、Lyman Page、David Spergel、 Ed Turner 等）讨论和交流，他们也非常看好我，问我是否愿意考虑他们物理系的tenured track位置，我说如果是tenured就考虑，否则不考虑（因为Princeton的tenured track不一定能保证获得tenured的，和MIT、Harvard等顶级大学一样）。Jim Gunn对我的想法很欣赏，并积极支持我在斯隆巡天望远镜上使用这个技术实现第一次的多目标视向速度的测量。因此，弄清楚概念，才能理解由概念之间的关系形成的原理（why），才可能会有更多的重大发现。
把why搞清楚了后，有了足够的理论支撑，也有了自然科学基金（NSF）的支持，我们就开始设计一种小型且高效的光干涉光谱仪，取名为Exoplanet Tracker（ET）的仪器。这台仪器很快就安装在基特峰国家天文台0.9米的Coude望远镜上，于2005年观测发现了第一颗系外行星HD 102195b（ET-1，下图）。要知道在那个时候，很多团队都在使用2米或更大的望远镜去做视向速度寻找系外行星，我们使用了他们二分之一大小不到的望远镜，获得了同样质量的发现。这个发现引起了世界的轰动。很多媒体与报社在2006年初刊登了我们的发现新闻（下图）——这是人类第一次用完全不同的基于光干涉的视向速度方法和新一代造价低廉的小型仪器发现的系外行星，我也因此成为第一位找到系外行星的华人教授。
第一台多目标APO视向系外行星大视场巡天，MARVELS
不过最重要的还是，我们的工作开辟了另一种寻找系外行星的途径，并且观测范围可以从单个目标提升到多个目标。有了这一基础，很快就获得了Keck基金会的支持，后来就有了第一台多目标APO视向速度系外行星大视场巡天（The Multi-object APO Radial Velocity Exoplanet Large-area Survey, MARVELS）的问世。
自那以后，我们也有了更多新的发现，包括发现一个相距较近的双星系统中有一颗巨行星和一颗棕矮星，这是一种非常奇特的现象，也是人类的首次发现，很快上了新闻。在斯隆三期（SDSS-III）巡天那段时间中，我们获得了不少媒体的关注。实际上，我们的这款仪器仍然有改进的空间。当时很多团队在做高精度高色散光谱仪找小质量行星，我的想法是独辟蹊径，利用光干涉光谱仪的自身优势发展多目标视向速度观测，这样每次可以观测到几十个甚至几百个目标来提高系外行星的搜寻速度。但是由于这种仪器的精度仍然不够，只能寻找大质量行星。
搜寻系外宜居行星计划：达摩系外行星巡天
幸运的是，在我们执行SDSS-IIIMARVELS期间有了新的机遇。在2010年，我有位美国学生Hali Jakeman，她除了跟我在实验室做研究外，还去超级市场打工挣钱，给有钱人调鸡尾酒。当时她就遇到了一位有钱的佛罗里达大学校友。校友问她：“你除了调鸡尾酒外，平时还做什么？”她回答说她跟一个教授做系外行星研究。那个校友对这方面很有兴趣，就让Hali告诉我去联系他。我联系到他后，就邀请他来参观我们的实验室。事后，他邀请我去他那儿参观。我感觉他可能对我和他的交流印象很深刻，我记得很清楚，当时我已结束访问正在开车门准备离开时，他突然说：“健，我这里有笔钱，你能做什么？”我说：“你那笔钱我可以用来做个先进的搜寻系外行星的仪器。”后来他就将这笔钱捐给了我们学校。这样，我就开始了我的下一个梦想——寻找紧邻类太阳恒星周围的宜居行星（即第二个地球/地球2.0）。我们开始了仪器的设计工作——做更高精度能探测到更小质量的系外行星的仪器。
我一开始打算再做一台中色散的干涉仪光谱仪，这样就可以在一年时间内完成研制。但我们调研后发现对于搜寻小质量的行星的仪器，因为要求观测的恒星都很亮，只能一个接着一个目标单独观测，这时中色散的干涉仪光谱仪相较于高色散光学光谱仪在测量精度上就处于劣势。因此，我们就决定研制一台先进的高色散光学光谱仪。结果我们花了三年才把仪器做好（下图），不过我们做出来的仪器比预期的要好很多。因为我们以前的仪器没有使用真空，只是使用恒温和恒压，我们这次就尝试将这台仪器不但保持恒温，而且保持高度真空，这样测量到的视向速度会更精确。这项工作完成后，那个校友再次来到实验室参观说：“哇，你的仪器比我想象的要好，你还需要什么？”我马上列出了接下来的需求清单。他很快又捐了一笔款。但最后一个需求是需要有专门用于搜寻系外行星的望远镜，因为我们和田纳西州立大学（TSU）的合作使用他们的2米自动化望远镜的观测时间无法保证，而且他们的望远镜的透光率不够，所以我们就打算自己建造一台望远镜。我们的捐赠者继续支持我们建造了专门用于达摩系外行星巡天的1.3米全自动望远镜（下图）。
在这项工作过程中，我们本着最大化利用私人经费的原则，寻找了很多创新的办法让仪器尽可能变小，但同时实现很高光谱分辨率和视向速度测量精度。首先，为了得到高色散光谱，当前的光谱仪普遍用的都是大光纤耦合光谱仪的，因为这样的耦合导致的仪器体积很大，这需要花费很多的经费（费用大约和尺度的平方成正比）。于是我就想出了一个新办法：让大光纤跟小光纤耦合，让光谱仪体积显著变小，这样既能节约研制成本，又能提高光谱分辨率和仪器的稳定性，同时能保持较高的透光率。这样一来，我们就研制出了一台体积较小的TOU（Temple Of Universe, 宇宙之殿）光谱仪，具有当时世界最先进的高精度径向速度行星搜索器（HARPS，The High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher）同样光谱分辨率，但仪器稳定性和视向速度精度更高，同时造价只有HARPS的约1/4（大约200万美元）。
我们利用低成本所研制的TOU高色散光谱仪去观测亮星，花了两年多的时间，收集了足够多的观测数据，发现了一颗距离太阳系约16光年的类太阳恒星，波江座40A周围的超级地球，具有约8.5倍地球质量和约42天的轨道周期（下图）。经过一年多的仔细数据分析，我们最终发表了这个重要发现。文章提交后，我们当中有一个年长者，Greg  Henry跟我提起：“你知道吗？你发现的这颗行星的寄主恒星正是《星际迷航》中的瓦肯星的母星，我们发现的系外行星和电视剧本中描述的瓦肯星非常的一致。”我说这太棒了，很快就找了一位艺术家， Don Davis给我们画了一幅瓦肯星的艺术想象图（下图），并找我们大学的新闻作家写了一篇新闻稿，然后向媒体释放瓦肯星发现的重磅消息。结果可想而知，全世界范围的主要媒体争相报道这个“科学与科幻相吻合”的重要科学发现，引起了全世界的轰动。后来，2018年我也入选“杰出留学生40年”，接受了采访和报道（下图）。
实际上，我们在寻找第二个地球过程并非一帆风顺。要知道，寻找第二个地球意味着这颗行星的轨道周期需要接近365天，需要长期稳定的连续观测；利用视向速度法寻找与地球质量相近的系外行星需要超高精度的仪器，而我们的最新仪器寻找到的系外行星至少是8.5倍地球质量，Doppler测量精度仅达到~0.9 m/s，和探测到第二个地球的实际需要的精度~0.1 m/s，相差相当一段距离。根据我们技术发展的经验和纪录（如从1996年到2016年，视向速度从3m/s提高到～0.9 m/s的精度），视向速度光谱仪很难在下一个10年内获得约9倍的提升，满足要求，于是，我将目光瞄向了凌星法。

科学的重大突破不光需要技术突破，更需要想法的突破
在2009年以后我就开始留意了美国的开普勒望远镜，他们的核心目标是采用凌星法寻找系外行星，包括地球2.0，即利用行星经过恒星的前面对恒星的遮挡（凌日）造成恒星的光度变化来发现系外行星（下图）。很明显，这种方法比视向速度法更容易探测到地球2.0，因为地球和太阳的面积比，即太阳光被遮挡的比例，约为万分之一，也就是大约100 ppm（百万分之100），而地球对太阳的引力作用导致的太阳视向速度只是太阳导致地球运动速度（30 km/s）的30万分之一（地球和太阳的质量比），即0.1 m/s。 我认为这是一个非常令人兴奋（exciting）和有前景（promising）的工作。开普勒（Kepler）望远镜上天后很快就显示出它的超高的测光精度，约30 ppm，已到达找到地球2.0的要求（34 ppm），到2014年已经找到了5千多颗行星和候选者，也包括绕着若干个小质量红矮星周围的宜居类地行星候选者。遗憾的是，在2014年，开普勒卫星的控制望远镜指向的两个飞轮失去工作能力，望远镜无法再继续凝视开普勒的原定天区探测系外行星。到此为止开普勒没能找到地球2.0，结果功亏一篑。除了飞轮失败外，他们没找到地球2.0的其他主要原因为：一恒星活动（黑子、耀斑等）比预计的更加强烈，产生的噪声大，容易出现假的凌日信号，难以探测非常小的行星凌星信号；二是开普勒望远镜的视场不够大（100平方度还不够大）。自那时起，我就开始思考如何寻找地球2.0？
围绕开普勒失败的两点主要原因，我的团队开展了相应的研究工作旨在提高在开普勒观测数据中探测微弱凌星信号的能力。我的团队开始研究恒星活动，希望能找到办法去除部分恒星活动产生的噪声，降低探测地球2.0的凌星信号的噪声背景；另一方面，在2015年左右，伴随着深度学习（Deep Learning）在学术界应用的兴起，我的一个佛罗里达大学电子计算机工程系的合作伙伴，Andy  Li教授建议我们尝试在天文数据分析中使用深度学习方法。我们于是很快就开始尝试利用深度学习技术在开普勒数据中寻找系外行星的凌星信号，并取得了不少进展。比如，最近我的学生已利用深度学习和GPU技术在开普勒数据中寻找到了两颗轨道周期很短（10天内），约0.6倍地球大小的行星。除此之外，我开始意识到开普勒望远镜视场不够大，因此收集不到足够多适合找到地球2.0的恒星的光变数据，这个不足是可以通过使用更加优化设计的卫星来解决的。
地球2.0（ET）空间科学卫星想法的诞生
说来也巧，在2018年，上海天文台侯金良书记邀请我到天文台访问，帮天文台规划未来的光学天文发展方向。我在访问中发现上海有中科院微小卫星创新研究院和上海技术物理研究所等顶级空间卫星和载荷研制的单位。考察完后，我就建议天文台往空间科学技术方向发展。在2019年我再次访问时，我就提出做更大视场的望远镜的想法来代替开普勒。我跟天文台光学工程师周丹说：“你可以依照开普勒的设计，将望远镜口径缩小一半，视场面积就会增加四倍。”（这是由于光学系统的etendue守恒）经周丹的设计研究，发现确实是可行的，但是依然存在关键的技术问题。同年9月24日，沈志强台长给我Yahoo邮箱发邮件，通知我科学院先导项目有科学卫星背景型研究的机会，由于我在美国一般不check这个邮箱的邮件，我并没有及时收到。直到25号，小卫星的陈雯部长发微信问我怎么还没有回信，我马上就去查邮箱，并于26号立即行动。
我们需要在10月7日前完成我们的空间科学卫星项目申请书，但只有两周的时间。我当时临时组织了国内外几十个科学家和技术人员，包括我以前的学生，在一块白天黑夜地干活，写申请书。一个多礼拜后，我们完成了卫星和载荷的初步设计，从刚开始的广角开普勒（一台50 cm的400平方度视场设计）演化为7台30  cm的透射望远镜，每台256平方度视场，以及写完了一百多页的初稿。这就是我跟大家说的科学家的热情，我曾经也多次为了一个大项目，包括MARVELS在内，经常一个礼拜不怎么睡觉。这次任务也是，一个多礼拜最多在我的办公室的沙发上每天靠几个小时，为了工作玩命，这就是我对科学的热情。
地球2.0（ET）空间科学卫星设计和产出的优化
地球2.0（ET）空间科学卫星发展到现在，整个项目的思想已经相对成熟。我们的方案（下图）是利用6台五百平方度的凌星望远镜，凝视开普勒和它附近视场中的120万颗类太阳恒星和红矮星；1台微引力透镜望远镜对准银河系中心，与地面的KMTNet（Korea Microlensing Telescope Network，韩国微透镜望远镜网络）同时凝视银河系中心三千万颗恒星，系外行星的微引力透镜效应能够放大其背景星亮度，利用两处微引力透镜望远镜的时间差与测量的不同光变曲线，可以测量行星的质量和发现流浪行星。
ET每三个月转动卫星的姿态，ET望远镜预计将凝视目标区域长达四年时间。这样的好处是，我们既可以找到地球2.0，也能在银河系中心的方向看到大量的流浪行星。目前地球2.0项目已经经过了两轮的立项遴选，有希望很快立项。预计制成的空间望远镜将被放到距离地球150万公里的L2 的halo轨道上，经过4年的观测，预计能发现3万多颗系外行星（是已知的6倍），包括约5千颗类地行星（是已知的14倍）和10多颗地球2.0，实现从0到1的突破（下图）和开普勒未完成的梦想。
我们的这一研究工作也是跟我前面所说那样，从概念入手。我们深入理解了概念，就立刻行动，基于前人的工作进行卫星载荷的设计优化：更低的噪声、更大的视场和更深的观测。ET望远镜与开普勒相比会有更大和更深的视场，与欧空局的PLATO（PLAnetary Transits and Oscillations of stars mission，行星凌星和恒星振荡任务）卫星相比将有更大的口径和更深的视场。ET将成为口径、视场、测光精度和恒星黄金样本数综合最优的望远镜。因此，ET除了在关键技术上的突破，比如采用更低噪声的CMOS探测器，在设计思想上远远领先其他同类科学卫星。
想法和技术的领先才能保证未来科学的领先
我们这个项目不像以前的研究大质量行星的项目，它能回答一些像宇宙中地球是不是独一无二的存在等的基本问题。目前国际中已有的项目，包括地面望远镜和空间的卫星，已经发现了10多个地球大小的宜居行星，但是这些行星都环绕着小质量的红矮星，这些恒星的活动非常强烈，并且这些宜居行星距离恒星太近，对于生命来说很可能难以生存。我们项目的目标就是寻找第二颗能供人类生存的绕着类太阳恒星运转的宜居的地球大小的行星，即地球2.0。当找到地球2.0后，刚好在2030年左右，我们将通过国际上的TMT（Thirty Meter Telescope，三十米口径望远镜）或其他望远镜做后随的观测，测量行星的质量和密度，分析行星的构成，同时观测该行星的大气光谱，包括臭氧、氧气、水分含量等等，判断该行星上是否适合居住和上面存在生命。
这个卫星项目确实很吸引人，到目前为止，我们的项目已经吸引了八十多个院所，包括台湾的两个研究机构的四百多个科学家和技术人员参加来一起推动项目的进程。我们的项目还吸引到了开普勒卫星的项目科学家Steve B. Howell，他专门联系我们要参加ET项目，因为他的梦想还没有实现，想跟我们一起实现这个梦想，还包括Max Planck天文学研究所所长Han-Walter Rix，国际星震学“教父”级人物Jorgen Christensen-Dalsgaard等。这就是我们中国科学家应该做的事——用我们的原始创新的想法和先进技术来吸引世界范围内的精英加入我们。我们的项目也吸引了国内外的很多媒体的关注，这也确实是一个非常有挑战性和前景光明的mission，希望能够借助这颗科学卫星帮助我们尽快实现我们的中国梦和科学梦。
1.科学家的初心和使命
有了这些原始创新的故事和体会，我们不难发现原始创新科学家的初心和使命是什么。科学家的初心可以归为两类：面向国家重大需求时，国家重大需求就是初心；面向世界科技前沿时，对未知的好奇就是初心。也就是说，当国家需要我们的时候，我们就要将国家利益作为初心放在第一位；如果是基础研究，那么我们就要将对未知的好奇心作为初心放在第一位。
以好奇心为初心驱动的原始创新的使命，指的是从好奇心出发，在自己感兴趣的方向上，提出三类问题（What？How？Why），接着围绕所提出的问题产生新的想法，作出新的设想，学相关知识、搞清概念，方法、技能和工具等。制定方案、计划和策略、发展新的技术、组织团队等做好准备工作，然后按计划做实验收集数据，验证假设，然后不停地试错、迭代等，最后产生新的结果，做出创新的成果。这一流程看起来似乎并不太难，实际上，从假设到最终有原创结果的过程中是需要科学家们反复试错并调整的，这是一个在一定程度上的重复性的、“枯燥无味”的工作，要耐着住寂寞，也要敢于冒险，尝试各种从来没有尝试过的方法和想法。在有了新结论后，又需要对新结论的不确定性做进一步分析，很可能会找到下一步探索的方向和突破口，继续进一步的原始创新（下图）。因此，想要当一名原始创新科学家，不仅要明白自己的初心与使命，还需要具备我前面强调的执着的热爱（passion）、从0到1的冒险精神、百折不挠和坚持到底的特质。
2.和青年科学家分享个人体会
接下来我介绍一下我对原始创新的一些个人体会和大家分享。
（1）第一点，大胆想象，积极提出新想法，努力去实现。
我相信在座的很多年轻人，每天都会有很多想法，但问题在于你们是否能够行动起来按照自己的想法去做事并坚持下去？你们要有梦想，敢于想象、敢于提出新的问题和想法，并向周围的人推销自己的想法（Great Selling Power），寻找支持来实现自己的想法。因为大家的想法可能很多，绝大部分想法很可能无法实现，这时就需要理清自己的想法，看哪个最有希望实现，挑出最有希望的想法去努力实现。我在美国跟学生一起做实验的时候，我就特别强调他/她们一定要Think through it before doing it（想透再做）。在一个想法刚出来的时候，你一定要做充分的调研（homework），将你的想法变成一个成熟的想法后，需要寻找资助与志同道合的科学家来帮助实现你的想法。因为不会有空手就能做出来的事情，你们要学会让别人支持你的想法和完善你的想法，有了帮助后去发展理论与技术，避免闭门造车。另外我还强调一点，你的研究一定要从问题开始。你行动到最后得出结论了，这并不是结束，而是新的开始，因为有会在新的结果基础上会提出新的更深层次的问题。就像我博士生期间所做的一个工作，发现宇宙中存在70%的A，但却没有深入问问题，与诺贝尔奖失之交臂。也就是说，你需要在研究过程中不停地问what、how和why，这样就可能进入一个更深层次的科研境界，可能会有更加重大的发现。
（2）第二点，敢于冒险，不要害怕失败。
身为科学家，我们一定要敢于冒险，无惧失败，失败其实是一次不成功的尝试，每一次失败都在为成功奠定基础。我家里有一个篮球架，因为我很喜欢投篮。大家知道，投篮是不可能百分之百投中的。这个时候，你需要不停地投，调整你的姿态、篮球抛射角以及提高你的投篮技术等，你就会渐渐地更准地投中篮的。这个道理同样适用于我们科学研究的过程。有些事情你不去冒险和尝试，是永远不可能成功的。再比如叶叔华院士，她在做成功一项工作之前，也有很多次失败的。当时她的团队做的时钟系统获得的数据法国人不愿意采用，她/他们就想一定存在什么原因，就反复检查自己研制的体系统，结果发现是标定不好，然后就继续做尝试、试错，最后做出来的时间准确度达到了国际标准。所以，很多伟大的成果都是在上百次甚至更多次失败的基础上才产生出现的，大家一定要有足够的耐心。
包括我前面说到的，我们找到瓦肯星的达摩望远镜，也是我们克服了很多困难，比如挖地基、修路、圆顶漏雨修复、组装、反复调整等等才安装好。当时我们的技术团队成员人数不多（下图），每天都需要工作，前前后后很多事情都是我们亲力亲为的。比如，由于望远镜圆顶小、但望远镜的体积大，我们就加了一块小壳覆盖望远镜延伸出来的脚。望远镜做成后，我们就开玩笑称我们的望远镜为“甲壳虫”望远镜（下图）。包括后面需要实现望远镜的全自动观测，我就整天琢磨各种运行步骤、方法和算法等，团队内的一个本科生Sarik Jeram就不停地写控制软件和不停地试错。无穷多个晚上我们都在跟踪望远镜的运行，做及时调整，观测有没有实现全自动，不再产生运行错误。这种情况就是“在问题（困难）中学习和成长”的过程，尽管工作辛苦，但在不断进步中，修复（fixed）一个又一个运行问题（bugs），实现一个又一个里程碑，这过程也因此经历了一次又一次“再努力一下就会实现目标”的充满希望的时刻和克服一个又一个困难后带来的乐趣。
（3）第三点，持之以恒，追求完美。
我觉得这一点是非常重要的。当我们把一项工作或研究做到极致，才能真正反映出你所做的工作的价值。就拿我们当时发现宇宙常数存在的证据，并没有进一步研究其原因，论文发出去了并没有产生多大的影响。如果我带着现在的思维回到20多年前，我可能就会进一步问Why了，至少要研究一下宇宙中的紫外线有多强、起伏多大，考虑进紫外线后，看看宇宙紫外背景对测量这个的影响，给出我们测量的不确定性。再研究一下这个理论模型存在哪些不确定性，做深、做透和追求完美。最后，文章中加上比如“我们发现宇宙中存在一个常数，数值在70% ± 15%之间”这样的一句话，我们的这个工作就很可能获得诺贝尔物理学奖。差的就是这最后一步，就能把我们原始创新的工作推向极致，产生重大影响。
再举加拿大的两个天文学家的例子，他们发现恒星活动信号与系外行星信号很相似，要是能够再进一步研究，搞清它们是否真的相关，可能就能获得诺贝尔奖。所以，有时候我会跟学生讲，完成一个项目比开始一个项目要难得多！很多人都是做了几天的研究就没有热情了，拍拍屁股走人。我们做研究，一定要有追求极致，耐得住寂寞，具有工匠精神，注重关键细节和追求通透。
正如给你一块内核为钻石的石头（下图），第一眼看不像钻石，但当你花了足够功夫打磨出来后，才会发现它的精美钻石的内核。这里需要提到美国的一位心理学，Angela Lee Duckworth的近年的研究成果——Grit，这个词的定义是指敢于冒险、持之以恒和坚韧不拔的精神。拥有Grit精神的人，到了黄河也不死心，这样你就一定能成功，当然追求极致的过程中还是需要有不同的尝试、调整策略和方法等，具有开放性思维（open-minded，而不是固执己见）等，最后找到最优的方法。
（4）第四点，学会找到和改进工作中的最弱点（误差和不确定性）。
这一点对应了我前面提到的：研究结论的不确定性。你在做一个工作的时候，要学会去找到你工作当中可能存在的问题以及负面影响最大的问题（最弱点）。像短板理论中，木桶能盛水的体积取决于最短的那块木板。再如你在制作一段链条，你要发现链条中最容易断的地方，尽管链条表面看起来非常坚固，但如果它只能承受一公斤的话，那当承重到达一公斤后就会断开（下图）。还有就像美国小孩玩的whack-a mole game（打地鼠的游戏，下图），看哪个地鼠伸出来最高就把它打下去，最后把所有的地鼠全部打下去就成功了。再就像在河里摸鱼，我小的时候，喜欢在河里摸鱼，特别是晚上打火把摸鱼。鱼通常喜欢躲藏在石头下，那要怎么摸鱼才能抓到更多的鱼呢？这个时候你需要把所有的石头都翻开，那样鱼就无处躲藏，就能全部抓住了。对于一个研究的结论，我们也需要把所有的不确定性搞清楚、搞透就会对结论充满信心。
最后我在举一个我们团队研究不确定性的例子：在2013年我们开始达摩系外行星巡天观测，发现仪器一直存在小的视向速度漂移问题，每周讨论一次，一直找不到真正的原因，花了两年时间还没有搞清问题出在哪里。在2015年的一个周五，我的一位美国工程师，Frank Varosi正准备去海里冲浪前跟我偶尔提及“大气里每天都会有两次的气压变化”，我说：“你再说一遍？”他说：“大气跟潮汐一样，每天有两个峰。”我突然意识到，我们的仪器漂移的问题很可能由大气压变化导致的。我很快购买机票飞往亚利桑那的天文台，把整个仪器的光学平台和真空腔的锁定解开，结果仪器的微小漂移就彻底消失了。仪器变得非常稳定，这台仪器最终的长期稳定性达到了0.73 m/s，成为当年世界上最稳定的仪器！这也是我所说的，追求完美，不停地寻找问题与解决问题，需要极大的耐心与毅力！因此，科学研究就是这样，得出初步结果后，要敢于拿出“大刀”去挥砍不确定性，尽管过程也许很困难和痛苦，但这些往往是重大发现或结果前的关键的必要步骤和过程。
（5）第五点，主动出击，做义务活动。
这一方面可能是中国人没有给予足够重视的地方——主动出击，英文叫aggressiveness。积极主动地去做义务劳动，是非常重要的！我们中国文化喜欢乖孩子，这确实便于管理和省心，但是，积极主动的孩子更容易抓住机会！在研究中，你一定不要等着导师或者首席给你布置任务才开始行动，你要学会在讨论过程中发现问题、抓住机会，觉得某件事情很有趣，然后带着十足的好奇心去尝试。
我自己刚开始做科研就是这样的，尽管有很多地方我不懂，但我有很强的好奇心，就会主动出击去做一些调研、量级估计，很多机会就从你主动承担的义务劳动中产生！如果你想做原始创新的工作，一开始不知道哪个方向是对的，这时你需要去尝试，尝试过后发现某个方向很有趣并且走得通的话，此时就要即刻行动，或许新的机会就会降临。比如，我们的地球2.0项目最开始也是nothing什么都没有，我来到上海访问也是主动出击，到有关的研究所去访问、交流，正是有了这些行动，才为地球2.0项目奠定了基础，我也因为有了这个新的难得机会就最终选择来上海天文台工作。
举个例子，当年我参加导师Roger Angel的大团队，里面有不少研究员、教授、工程师、博士后等资深科学家，我就是一个“小虾米”，处于“食物链”的底端。每周例会的时候是二十几个人聚在一起，我有90%的时间都听不懂，也没有我插话的机会，但我仍然很好奇他们在说什么。我一直在坚持听，即使在其他工程师或工作人员打哈欠或显得无聊的时候，我仍然坚持认真地听。有一天，我导师说我们现在在做激光导星定标，激光能量是与造价成正比的，因此需要提前估计需要多少能量，使得激光打到大气的钠层后能够产生足够亮的钠导星。这需要派人做一个相对来说较复杂的实验，需要和三个天文台协调工作，结果没有一位资深研究人员愿意牵头。这时我意识到这是一个非常好的机会。我说，我有些地方不熟悉，但我会做光谱和数据处理，可以试试。导师别无选择，就让我来牵头做这个项目，于是，我就有了调动三个天文台开展工作的机会，组织哈佛的一位资深教授Robert Noyes、美国国家光学天文台的一位资深研究员Bill Livingston和我一起工作（下图），在做激光定标实验时，还有一位博士后Patrick Mcguire穿着大衣安排在外面躺在地上帮我盯着是否有飞机或卫星在激光发射的上方飞过，如有，就及时关闭激光的开关。说实在的，这实验的确有点危险，如果激光把飞行员眼镜或卫星致盲，我可就要去坐牢的（下图）。就这样，我这么一个小虾米通过我的主动出击，一下就变成了一个leader，牵头人，这项工作我也完美收官，成为我的博士论文的最后一部分。这样看来为什么我1997年的时候那么有自信去申请教授的位置就容易理解了。因为我觉得我都能自己领导团队了。当然我不否认，我的后来运气也的确不错，我是1998年拿到博士学位的，在2004年就转为终身正教授，在我们那个年代的美国天文界应该是绝无仅有的！
再举个例子，在1997年底，当时Steward 天文台（亚利桑那大学的天文系所在的天文台）有一位资深天文学家Don McCarthy要做一个广角红外照相机，但是他的学生做了很长时间的光学设计没做出来，因为这当中需要用到光学设计这项专门的技术。刚好我那段时间在全世界最好的亚利桑那大学光学系那里学完了光学设计。McCarthy得知我学了光学设计后，就说让我来尝试，我也愿意去做这个“义工”。我那时是非常努力的，整个寒假包括美国圣诞节都没休息搞光学设计，也包括分析设计容差、加工和组装公差等等，结果一个寒假就把这项设计完成了。虽然不是工程师出身，但是我一个月就把这个设计做成了，McCarthy按照我的设计和容差非常顺利购买光学透镜、建造成低温运行的广角红外相机（下图），这让我也感到非常自豪。所以，我从一个热爱义务劳动的“小虾米”，到现在主持地球2.0项目，都与我曾经的积极主动脱不了干系的。因此，我想再次强调，年轻人要敢于创新，敢于抓住机会就需要多做“义务劳动”。
（6）第六点，注意多产（Productivity），积极推销。
我们现在所处的时代竞争日益激烈，需要我们注重个人成就记录（Track of Records），意思就是你保持原创的同时，一定要有自己的里程碑和阶段性的成果。也许你会觉得，原创工作需要花很多个人精力，会遇到很多困难，但是你一旦做出真正有意义、有价值的工作，就不需要担心其他人看不到你的原创成果。像我做的那些早期原创工作不少都是大家很多年后才开展的工作：比如自适应光学耦合的光谱仪，现在才开始时髦了，我那时候是1998年，你看多少年，20年后才开始时髦，但没关系，我在20多年前可以把这个工作就做成了。我们现在在研制一个单模光纤耦合的光波导微型光波仪，就和我1998年使用的单模光纤相似，自然就驾轻就熟，这样很多年前做的东西播下种子，现在就开始发芽了，有收获了。因此，请一定不要放弃原始创新的工作，一定要把它做好。真正的原始创新，总会有人愿意对你的工作做“风险投资”的。就像我做了15个月的博士后的原始创新工作后，宾州州立大学就愿意“投资”我让我做他们的终身制轨道的助理教授，后来佛罗里达大学也因为同样的原因投资我300万美元的启动资金，我于是就带着我的团队去了佛罗里达大学开展在更大平台上的研究。核心就是两点：原始创新与积极推销自己。我的达摩捐款人曾经给我打电话说，“我是对你这个人看好，愿意投资你！”是的，他看中我的地方就是我的原始创新能力。
我记得很清楚，我研究生时期就认识了John Mather，前面提到的韦伯空间望远镜的资深项目科学家和诺贝尔物理学奖得主。当年我经常在各种会议上遇见他，就跟他聊我的工作和有趣的想法，他也听得津津有味，于是我们就成了往年交。如果现在我想去哪个地方需要推荐信，那他肯定会给我写诺贝尔奖得主的推荐信。这些事也让我发现真正的牛人都不会是傲慢的。因此，这里我想说的是，如果你有了原始创新且可行的想法，要积极将自己推销出去，多去接触一些厉害的人。
（7）第七点，学会做“老板”，工作就是生命不可分割的一部分。
这是最关键的一点。我带的这么多的硕士生、博士生和博士后，甚至高中生，他们能成功的秘诀就是学会做“老板”。在这里我总结了一套围绕提高个人思维（mindset）的三个方面的葛氏3R法（The Ge’s 3R Method），这个方法你们用之四海皆准。
第一，你要Responsive，积极响应。
当别人有事情找你时，你要积极响应；老板或同事跟你讨论，你要积极响应；晚上12点有人给你发了条message，你一看消息发现很重要，就立马回复，不要等到第二天再回，很多机会就是在等待中溜走的。比如我有一件比较重要的事情，我找一个学生或一个同事，着急解决问题。如果这个学生或同事没有及时回消息，为了更快解决问题，我肯定会找另外一个人的，然后一合作，一项诺奖级的工作可能就这么出来了。我们的地球2.0项目大约四百多个科学家和技术人员，我对团队成员的首要要求就是积极响应，做到这一点，就是一名好成员。因此，时不我待，一定要主动出击。
第二，你要Reliable，为人可靠。
为人可靠很关键。比如，我问一位学生，“你什么时候能做完？”回答明天就能做完，结果到了明天没有下文了，一周后也没有结果，这就是一个不为人可靠的反例，那么之后的重要工作就很可能不会交给这个学生了。但是如果是因为遇到困难而无法推进，这个时候就需要跟老师沟通，说，“老师对不起，我当时低估了困难，这一项工作遇到困难了”。导师分析后也能够理解学生的处境，那么就一起想办法帮助你攻克难题。最后估计两周能完成这项工作，那这两周就继续加把劲，必要时熬熬夜将工作完成。当你100公里都跑了95公里了，最后剩下的5公里你就需要咬咬牙去冲刺，加速跑完。导师一看，哇，这很棒，觉得你很可靠，会进一步交给你更重要的研究工作，这就是新的机会！
像地球2.0团队，需要各个不同学科方向的学者、科学家，我怎么选leader？选的就是reliable可靠的人。给你安排一个组织的任务，你按时按质完成了，那你就来做经理！如果博士生时期当了leader，那有了这种牵头人的经历，他/她以后可能就不得了了。我前面也提到，我曾经也是个“小虾米”，然后主动出击（responsive），做事可靠就成了leader，于是调动起人家哈佛大学教授，这确实能够学习到各方面的知识，锻炼各方面的能力，增强自己的自信心。
第三，你要Responsible，有责任心。
Responsible的中文意思是有责任心的。实际上，我不喜欢中文这个词，为什么？因为中文里的“责任心”总是让我觉得，这是领导安排下来的任务，是领导要求我这么做的。一旦被冠以“被要求”这一含义，那么这个工作就不再是内在驱动做出来的，而是外界施加压力下做出的。我更喜欢英文的responsible，它有一种“我决定做这个事情”的感觉，那么我就会把这项工作当成自己的事来做，如果你能做到这一点，你一定成功！你可能要问，明明是替老板打工，如何能感觉是在做自己的事？其实即使在打工，如把“打工”的事当作自己的事，你在打工过程中就会积极学到更多的知识和技能，在遇到困难或卡脖子时，你就会积极主动产生新的想法，然后你即刻行动、主动出击（responsive），你就可能会把工作做的很完美，或许一项发明可能就产生出来了。
在这里我想举一个例子，一位叫新津春子的中日混血，爸爸是日本人，妈妈是中国人。在1978年中国改革开放后，她回到日本。回到日本后，因为日文不好，她就去东京机场当清洁工打扫卫生。这在我们看来是一件很简单的工作。但是，她把清洁机场当作自己的事情，将出入机场的乘客当作自己的家人。于是她非常认真地做好她的工作，光是清洁剂就懂80多种。她能根据不同的清洁需要，选择不同的清洁剂做清洗。她了解到小孩没法蹲马桶，于是就发明了一个adapter，帮助孩童如厕。正是因为她将清洁机场当成自己的事情，所以她做的非常出色，机场成了世界上最清洁的机场，后来她成为整个东京机场的七百多个清洁工的总经理，日本国宝级人物！
我做研究生时期，导师是老板，但实际上我也把自己当“老板”，经常引导他/她们走向我想研究的方向。因为我展现了“responsibility”的特质，他/她们都相信我的判断，就跟着我做。当时我跟几个老师做研究，工作效率比较高，从做类星体研究时的观测到仪器研制都是我掌管的（in charge）。比如在做仪器时，我知道我需要什么材料，就跟导师一说，导师很快就会同意，因为我跟导师讲道理而且他知道I am in charge（我在负责）。
我记得我们在1998年申请哈勃观测时间的时候，我的另一位导师，Jill Bechtold打算申请观测一个类星体目标，我说你这个目标不行，我选的目标才可以，并告诉她我选择的原因。她觉得我有道理，她就选择了我的目标，我们很快就获得了哈勃望远镜的时间观测类星体Q1331+170。这个源的观测数据是现在中国一个叫崔俊行星科学家当年在亚利桑那大学读研究生时做的分析，新的发现结果很快就发表了论文。这也验证了我的预见力，结果很成功。因此，你要将任何事情都当作自己的事情来做，在做事情的时候，大脑中就会冒出各种想法。等老师跟你交流，说出自己的成熟想法，老师会支持你的，那么你就有一次锻炼自己的新机会了。能够做到这一点，你就一定能做老板。我对所有跟我工作的人都有葛氏3R的要求。如果你能真正做到这三点：积极响应、为人可靠和有责任心，那你就能做大事。我以前带的美国的博士学生，都在毕业后继续在美国、中国、印度等国家做科研，约60%是教授，约40%为科学家和博士后。
以前我们佛罗里达大学天文系有一个清洁工，Nancy，她原本只负责清扫办公室的地面。在我出差的时候，她看到我桌面上有灰尘，就主动地帮我把桌子也擦得干干净净，这样我办公心情更加舒适。她是一位很有责任心的人！于是每次到圣诞节，我们全系都自发地给她捐钱买节日礼物。
我们要学会欣赏将一件事情做完美的过程，这里自始至终地穿插着自己的责任心。不论什么工作，简单或复杂，都是自己的事情，一种创造的过程，欣赏从无到有的过程，始终想着你的工作，就一定会有灵感降临，甚至大想法诞生。
最近美国心理学家的研究成果，有一句话：思维决定命运。你如果responsive，你就是好成员；你如果能做到reliable，你就是一个manager；你如果能做到responsible，你一定是个好老板、成功人士。
（8）第八点，团队意识和领导力。
关于团队意识，我觉得现在很多事情都需要团队合作，哪怕是simulation也需要很多人的帮助，团队意识也因此成为做事成功的关键一环。有团队意识，就意味着你要愿意帮助别人，这是一个基本原则。如果你连别人都不愿意帮助的话，你怎么能指望别人帮助你。
像我，之前从来没做过观测，到了美国后，到处问老师和同学帮助，他/她们都热心相助我。后来我突然发现，我是科大理论物理出身的，物理理论基础非常扎实。所以，上研究生课的时候，有一些理论性的问题，无论是高年级还是低年级的同学，他们都会排队来问我，我就热心给他/她们讲解，然后就交了很多朋友。之后我在观测方面有什么不懂的也去请教他/她们，这样一来他/她们的帮助使我很快在观测上有重大发现。
另外一点我认为，我们在进行团队合作的时候，一定要让每个人都认识到我们所做的工作的意义、有趣的地方在哪里。你让一个成员去做某件事情，你一定要让他/她知道这件事情的重要性、哪里有意思。像我今天跟你们分享，好多人一直都在认真听，你肯定觉得有意思，不然你早就走了。所以，当一件事情很有意思的时候，我跟你分享，你听了之后觉得受启发了，知道why了，那你就会认真去做这件事情，也会将这件事情分享给别人，让更多的人知道为什么要做这件事。大家都有努力的方向与动力，这样团队内的人就能齐心协力把事情做到最好。只有当团队中每个人将每件事情都当成自己的事情做后，这才是最有活力的团队。每个人都主动出击，近乎完美地完成每件事，根本不需要管理。最成功的团队都需要最少的管理的！我们地球2.0项目，四百多位科学家和工作人员，管理的并不多，每周跟一些leader交流、沟通一下，每个leader再跟他/她们的成员交流、沟通一下。如果每个人都需要我安排做什么，那我估计我可能累得早就待在医院了。
所以，建立团队一定要从个人态度开始，每个成员愿不愿意全力合作是第一重要的。组织好一个团队，需要从大家的兴趣出发，让大家知道这件事情的意义，充分分享自己的想法，为团队提供各种机会。
（9）第九点，读、写、表达和交流
我认为现在这个时代，读写表达和交流非常重要。这一点我其实深有体会，在我所带过的学生当中，中国学生的表达这一方面是最差的。如今很多机会，或团队合作，都缺少不了表达，包括你想将自己的想法推销出去的时候，要表达清楚别人才能理解。中国的毛主席就是一个非常好的例子，正是毛主席有非常好的表达能力，才能把中国原本一盘散沙凝聚起来，最后成立新中国。千万不要觉得只用做好自己的研究和工作就足够了，你一定要想办法写好文章，与各种学者交流，到会议上去报告你的想法与成果。敢于表达，不要总是碍于面子不好意思说。尤其是我们科学研究领域，需要跟全世界的人交流，这一点就要求我们英文要好。通常情况下，我们能从交流过程中获得一些启发，或是遇到新的puzzle，这些都是潜在的机遇与挑战。
但是我也承认，从某些方面来看，说话太直接也并不是一件好事。我以前在美国的时候，就有几个教授跟我说：“葛健，你非常out-spoken，但是你有时候可以换一种表达方式。”意思就是说，我说话比较直接，有时候我会直接指出“你这个事情做错了”，人家听了肯定不高兴。如果我能换一个表达，变成“你这件事情做的不错，但是如果你这么做可能更好”，那么对方听了不仅不会不高兴，反而就能发现自己的问题。所以，说话也是一门艺术。
虽然我很多年后也没真正学会怎么说话能够顾及各个方面，但我还是希望大家学会建设性的批评，这个是很重要的。
（10）第十点，做人的五种基本品德
Integrity
我认为做研究的最重要的品质第一个就是integrity，中文释义是“正直”，这两者含义也许有些许差异。我提到的Integrity是指，为人真诚、表里一致。好多人说我为人transparent，意思就是，我如果需要你的帮助，那么我可能就真的需要帮助，不说假的；我不需要帮助，肯定也是真话。因此，拥有integrity这一特质，别人跟你交往起来会觉得相对轻松，因为我不会话里有话，我也不去猜疑别人是否有话中话。所以，好多人跟我说，我年龄也不小，看起来还挺精神，很年轻，那是因为我不会将能量消耗在不该消耗的地方。类似电子，如果始终处于激发态，那就要不停地输入能量给它。我就经常恰好处于基态，如果需要做报告，或者完成一项工作，那我肯定能聚焦足够的能量去做好这件事。Integrity，意味着做事情也要有原则、有诚信。守住integrity，就可以花最小的努力做出最大的成果，这是我的体会。
Dignity
我们要有自己的正义，守住自己的尊严。学会尊重自己，才能去尊重他人，这样大家也愿意与你合作。
Respect
我们能够自发地去尊重比自己厉害的人，但是能够发自内心地尊重任何一个辛勤劳作的人，也不是一件容易的事情。我们往往面对大牛，他们的工作我们很尊敬，但如果面对一个小虾米，相对来说就没那么尊敬了。这是不对的！其实，我认为，只要你面前的这个人能够做到努力工作且不做违反原则的事情，他/她就值得尊敬。
Love
英文单词“Love”的含义是广义的。大家可以想想，如果是你的敌人或竞争对手，我们通常对待他/她们的态度是什么？看他/她们出丑，说他/她们的坏话。实际上，你的对手在与你竞争的过程中，他/她们也付出了同样的努力，这么想的话，你就会变得更宽容，会尊重他/她，这是一种良性竞争。中国以前，有人为了一个大项目争得头破血流，闹得不可开交，这其实是非常不好的。所以，我觉得，我们要保持一颗“兼容并包”的“Love”（博爱），尊敬任何一位与你良性竞争的人，你也会得到同样的尊敬、同样的爱，大家做事情也会变得更加容易。
Passion
最后一个品质——Passion，执着的热爱。生而为人，最重要的就是能拥有“Passion”这一品质。如果是你真正热爱的事情，那你就会付出全部的热情与精力，去做好每一件事。“Passion”这一品质其实是带有感染力的，富有激情地与他人合作一件事情，周围的人都会被你感染，也会变得有激情，这是一个非常好的良性循环。
3.结束语
今天这场报告，我主要以原始创新的定义入手，引出了原始创新科学家的特质、初心与使命，介绍了原始创新的三个关键的经验规则，分享了我的个人原始创新的经历，介绍了我的葛氏3R做事思维，也分享了我的原始创新一些体会和感悟。今天讲得非常高兴，祝大家职业发展顺利、心想事成，希望我的分享能够给大家带来一些启发，谢谢！

■ 扩展阅读
寻找第二个地球和生命 |葛健
科大60周年校庆，星际迷航发来贺电 | 袁岚峰
寻找另一个地球，需要中国亿万富豪们｜经济观察报
火星上有哪些景点值得游览？ | 袁岚峰
这才是真正的“钱学森之问”！ | 路风
爱因斯坦：机遇与眼光 | 杨振宁
任何伟大的科学成就，都源于承认无知，源于思想的自由｜费曼
物理学对于人生的意义是什么？ | 廖玮
■ 作者简介
葛健
葛健教授现为中国科学院上海天文台讲席教授（2020-现在），曾为佛罗里达大学终身教授(2004-2020)，宾州州立大学助理教授(2000-2004)，和利物浦国家实验室博士后(1998-2000)。于1989年获中国科大理学学士, 1998年获亚利桑那大学天文学博士。葛健是科学院空间先导地球2.0科学卫星背景型号研究的创始人和首席科学家、达摩近邻宜居行星巡天的创始人和首席科学家、科幻片《星际迷航》中的瓦肯星系外行星的发现者、全球首位找到系外行星的华裔科学家、国际斯隆数字巡天三期MARVELS多目标地外行星巡天创始人和首席科学家、美国航空航天局TESS空间探索项目合作伙伴、中国国际30米望远镜科学咨询委员会成员和中国科技大学客座教授等。2018年入选《中国留学生的四十年》。他长期从事实测天文，天文技术和仪器研究。迄今为止，他发表了148篇国际顶级期刊文章和116篇技术论文，同时拥有3个美国国家发明专利。
风云之声
科学 · 爱国 · 价值
继续阅读
阅读原文