大家可能每天都会琢磨这样一个问题——这个世界在发生什么样的变化？我们正处在信息革命时代，由于互联网的发展和信息技术的进步，我们现在的生活方式和十年、二十年前相比，发生了翻天覆地的变化。
作为一个有一定科研经验的物理学工作者，我想把我对未来变化的思考和大家共享，我们一起针对未来的工业革命展开讨论。
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
想象的翅膀，想象十年、二十年、三十年、四十年，一个世纪以后有可能会发生什么。如果我们对这个问题有一定把握的话，我们努力的方向就有了灯塔，一些问题也就有了指明灯。我这个报告的题目非常大，是《促进未来工业革命的材料和物理学》。
报告内容分两部分，我们先对前三次工业革命或产业革命做一个比较长的回顾。看看工业革命本身给我们带来的深刻思考是什么。通过对过去三次工业革命的回顾，我们大家一起思考一下当时的背景，并对未来做一个展望。
对未来发展最重要的是能源。我们先站在未来思考一下，国家党中央制定了“双百目标”——到2049年建国一百周年的时候，中国要变成世界上强大的国家。如果我们站在工业强国的角度上看，那时候的中国应该具有什么样的技术？我觉得最重要是能源。
人类的主要能源基本上可以分为两类。第一类是大自然提供给我们的能源，专业一点的叫法是化石能源（煤、石油、天然气等等）。
这些是有限的，因为大自然就这样，除非地球发生深刻的变动。第二类是人造能源。上个世纪量子力学的发展导致了原子弹爆炸，产生了巨大的能量，它可以以另外一种方式慢慢地释放，叫做核能。除此之外，还有太阳能、风能、水电能、潮汐能。利用自然界的现象和其中的物理化学规律，借用这些去创造能源，我们叫人造能源或二次能源。
能源极其重要。你可以想象一下，如果没了煤，上海市很快就会消失，建了几百米的大楼因为没有电，在一个星期之内就会废弃掉，上不去了，门也打不开了。
第一次工业革命和第二次工业革命，实际上就是人类学会怎么去利用这种能源。第一次工业革命发生在十八世纪六七十年代，人类开始进入到机械化时代。大家都知道瓦特发明了蒸汽机，其原理就是把煤燃烧，燃烧会产生热。在物理学上，热有热能，然后把热能转化成机械能，我们就有了蒸汽机。有了蒸汽机的火车，也有了蒸汽机的小发电机。所以把燃烧产生的热能转成机械能，这是第一次工业革命的本质。
我们通过烧煤，车可以走得比人快，甚至比马还快，所以就到了机械化时代。英国是第一个掌握蒸汽机技术的国家，所以它很快就变成了世界强国，首先就是因为它掌握了利用能源的方式。机械化时代的到来对经济、思想、政治产生很大影响，人类面对这样的发展重新进行思考，这造就了人类文明新的辉煌和进步。我们叫它第一次工业革命或者产业革命。
但要强调一点，热能转换成机械能，要做成这件事是因为有了铁器。如果没有铁，就没有蒸汽机，也没有火车，也没有汽车，也没有其他的发明。这个时候用的关键的材料就是铁。如果没有钢铁工业材料的发展，第一次工业革命即使知道热能能转成机械能，也做不成这件事。
第二次工业革命是19世纪中叶，这次人类进入了电气化时代。它的本质是把化石能源产生的热能转变成机械能，最后变成电能。这是建立在第一次工业革命的基础上的，机械再带动发电机转化为电能。这次工业革命人们仍然是以化石能源为基础造就的。而且，这次工业革命的材料基础仍然是钢铁，如果没有钢铁或者后来的合金，我们造不成非常强大的航母，没有好的发电机，造不成非常强大的飞机。
所以钢铁的发展、合金金属的发展是第二次工业革命以来的材料基础。欧洲、美国、日本抓住了这次能量转化方式相关的技术，结果它们变成了工业强国。世界政治、经济、文化、军事等等都发生了深刻的变化。20世纪前叶人类基本上处在电气化的时代。有了电我们就可以做很多的事。如果没有电,我们今天讲座用的供给就会全部消失掉。所以电气化时代使人类文明发生了重大深刻的变化。
中国的主要能源是煤。这两次工业革命造就了某些国家的发展。我们中国人，在中国960万平方公里的土地上，自然界提供给我们哪些能源呢？我们国家未来的发展是不是就要考虑这个问题？如果自然资源没有了，如果我们不掌握利用能源的方式，或者不了解的话，我们未来的发展是没有方向的。
看我们国家自然能源，我国是以煤为主要能源的国家，2015年我国一次能源消费的总量中煤炭占64%，生产的总量占72%。这是我们国家的国情。
再看看自然界给中国留下的东西，我们国家煤炭可开采量占世界比占达到13%，这给我们非常大的信心，但是石油只占1%。我们每年要花几千亿美元进口油供应车辆和其他很多工业，天然气也只占2%。从这三种自然能源依存度上看，煤炭我们基本上可以自给，但是石油、天然气只有靠进口。这种依存度是决定未来可持续发展非常关键的因素。
按照国家“十三五”规划，五六年以后咱们国家的能源结构，煤炭要从64%变成50%，油气占30%，非化石的核能、太阳能要占到20%。大家可以看看作为科学家，作为工业界就需要思考这个问题：如何把煤从64%降到50%，非化石从不到10%升到20%？如果达到这个能源结构，国家的发展就是健康的，如果达不到我们要用更多的煤，要产生更多的污染。
所以在我们中国，煤炭的清洁高效利用始终是决定国家发展的关键因素，大家整天在谈雾霾这个事，煤炭烧火取暖，这也是没办法的。因为我们国家主要的一次能源就是煤。所以以后年轻的朋友们如果能把煤燃烧最大可能地转化成热能，而不产生二氧化碳和一些有毒气体，不造成雾霾和污染的话，那将会比任何东西都重要。
我这里讲一个例子，实际上我们中国的科学家，别说多么尖端的技术，就煤这个问题，现在还有相当多的老师在不时髦的研究方向努力工作着，因为它关系到国家的重大需求。比如清华热能系的岳光溪院士。岳光溪院士的团队研究出世界上最先进的超临界循环流化床锅炉，这里边的技术是极其尖端的。他在高效清洁利用煤发电问题上作出了重大的贡献，这个技术在世界上是全面领先的。国家能源组织认为这个技术是煤转化技术里程碑式的成果。
如果这个技术变得更加完善的话，就会像高铁一样，变成中国在国际战略中非常重要的输出技术。
在前两次工业革命中，能源转化方式利用的典范是所谓“工业的心脏”：重型燃汽轮机和发电机。在这个方面我们是落后。所有煤的发电要靠重型燃汽轮机。飞机发动机的原理也是类似的，飞机飞得非常快，我们国家在上海造的大型飞机也只相当于美国的波音737的水平。我们在核心的发动机技术上面，还有很长的路要走，仍然带着第二次和第一次工业革命的色彩。
燃汽轮机涡轮入口处气体的温度达到1000—1200度，材料要耐热到1000—1200度，汽轮才有劲。我们国家这项技术刚刚开始成熟。F级对叶片材料的要求，要耐温在1400度左右，我们国家刚刚实现。但是美国的GE、日本的三菱、德国的西门子他们可以实现在1600度的温度下工作的材料，这带来能源利用效率的大幅度提高，整个航母、飞机发动机动力的水平大大地超过我们。耐高温的材料我们国家是短板。
现在国外F35战斗机高温叶片的耐温已经到了1600度，现在家里的灯泡钨丝点亮的时候也是1600度，整个发动机的叶片在1600度下还在工作。尽管用的原理还是第一次、第二次工业革命的能源转换，但是它对材料的要求越来越高了，但是材料是我们的短板。
所以到了2050年的时候，尽管我们在科学上可能没有发生深刻的变化，但是在转化的效率上我们还要有很长的路要走。所以在化石能源，在能源的利用上，以及能源利用的效率方面还有很长的路要走，这是国家要变成一个强国的基础。我强调能源很重要，没有能源我们就没有饭吃，每天我背着10个手机，但是我不能吃饭，所有的事就都结束了。这个时候我还强调了一个关键字眼，核心技术涉及到的材料非常的重要。
我再谈谈人造能源，因为自然资源总是有限的，有时候还受到各种政策的限制不能无限的开发，总得给我们的子子孙孙留点吧。我老家是山东的，原来枣庄是一个煤矿城市，现在煤基本上被挖完了。所以要利用新的能源。
我们要打太阳的主意，就是获得核能。太阳每时每秒都在发生着热核反应，氘和氚是氢的同位素，它们发生热核聚变反应，产生热量。据统计，每秒钟照射到地球的能量相当于燃烧500万吨煤产生的能量，地球上每平方米大小的土地每秒钟要收到1000瓦的能量。当然我们的化石能源全是来自于太阳，那是一个非常漫长的过程。但是现在每天能收到的仍然这么多。太阳现在的年龄相当于人类的中年，还有60亿年的寿命。
大家都知道太阳能，也知道太阳能电池。太阳能产业也很热闹，但是我们对太阳能利用效率非常低。这是太阳的光谱，房顶上挂的太阳能电池都是硅材料做的，波长是1127纳米，太阳光射到地球以后辐射的能量是处在这个范围的。大家可以看到，500纳米波长是黄光波段，辐射要远远高于硅，但在这一块我们找不到合适的材料做出太阳能电池来，我们现在只能用相对便宜的硅做。
整个太阳光辐射能量总量中，7%是紫外线波段，小于400纳米。我们人看到的可见光是400纳米—760纳米，这个波段太阳辐射的能量占到总能量的50%。但是我们找不到在这个波段的合适的太阳能材料，所以我们不得不用辐射量低的硅材料。
如果科学家发现了很便宜的、能吸收可见光波段中红光、绿光、蓝光的材料，太阳能电池的效率就会明显的增高。
如果掌握了这个材料就可以一统天下，所有的太阳能电池产业都是你挣钱，仍然有很大的开发空间。目前我们用在卫星上的高性能太阳能电池效率可以达到44%，硅在实验室的最高水平不到20%，如果到了35%，价钱将和煤一样便宜。但是实验室就只做到了27%，你要是做到28%或者30%就会变成一个非常富有的人。当然砷化镓是44%，但是砷化镓很贵，砷还有毒。尽管它的效率非常高，并且接近可见光的波段，但是它比较贵。
所以我们很多科学家在寻找一种半导体材料，既要便宜，又无毒，还能工作在可见光波段的太阳能电池。我想这是可能的。这需要我们做深刻的研究，找一种新的半导体材料。
核能这一块还有可圈可点的地方，我们中国的第四代核能技术，清华大学核能研究院站在世界的最高水平上。前三代的核反应堆就跟小太阳一样。核能是效率很高的能源，所以开发出绝对安全的第四代核技术对世界非常重要。清华大学经过近三十年的发展，做出了具有安全性的高温气冷堆，将于一年以后正式并网发电。发电价钱成本比现在三代核反应堆贵一点，但是绝对不会出现由于地震或自然灾害导致的停电、破坏，继而导致堆芯熔化的问题。
这里要指出的重大发现就是我们在核反应的材料方面取得的重大突破。福岛事故以后，《纽约时报》报道了中国第四代核技术的领先，很多国家想引进绝对安全第四代核反应技术。这些都是未来必须要攻破的技术，因为牵扯到工业“粮食”问题。
现在我们思考，下一次工业革命人类要思考一些什么问题？如果化石能源消耗殆尽，大家可以想象出，几乎所有现代的技术都将在十年左右时间内消失，汽车会消失，火车会消失，大楼会消失。所有的手机、电脑这些东西都会消失，因为循环不起来了。你说你做太阳能电池，你用什么能量把做太阳能电池的硅炼出来？所以能源是一个国家持续发展必须考虑的第一要素，也是全世界必须考虑的要素。
沙特阿拉伯的石油能供应100年，到了50年的时候，剩下50年就不出口给你了，那就没东西烧了。全中国的木头全部伐完来烧也供不了上海过一天日子，再过十年上海就会不存在了，大家都回到乡下了。这是一个非常可怕的问题，国家的安全非常重要。为什么强调粮食安全非常重要，因为人没了吃的不行，你可以不用手机，但是得要吃。工业也一样，可以稍微落后一点，但是得有东西烧。
所以自然能源的高效利用是世界非常重要的问题，下一次工业革命是能改变人类生活方式关键的东西，很可能就是能源。作为一个科学家，考虑重大方向的时候，一定要考虑它的根本是什么。我认为用材料去定义人类文明进步的程度是非常恰当的。
我们人类首先经历了石器时代，人会使用石器，使人区别于原始的猿人。几千年前，咱们的祖先就可以用锡和铅炼出青铜，铸造出各种各样的东西，促进了人类文明的进步，是青铜时代。后来是铁器时代，到现在所有的航母、发电机、地铁靠的都是铁器技术，铁标志着人类文明的第三个阶段。现在我们处在硅器时代，人类文明处在用硅和半导体材料定义的阶段。如果我们找一种材料定义下一个人类文明的话，这种材料是什么？
我的理解是超导。超导材料是1911年荷兰的科学家昂尼斯发现的，当时获得了诺贝尔物理学奖。当温度降低时，绝大部分材料电阻会下降，小到绝对温度的时候材料的电阻会停在一个有限值上。所有的基础材料都这样。但是，超导材料在降温的时候刚开始电阻很高，随着温度的降低，到了超导转变点,所有的精密仪器都测不到电阻了。这叫超级电导，简称超导。
超导材料另外一个特性是完全抗磁性。你想把一个超导材料压到一个磁铁上是压不进去的。超导材料通上电流以后，电流就可以永远的转下去，不发热。大家想想，我们每天每个人用的电子器件都会发热，这就和电的发明一样，电的发明意义太重大了，所以超导也很重要。
超导的应用很多，比如国防。这是清华大学曹必松教授的工作，用了超导以后，雷达探测范围多200公里。更多的是大家都知道的输电，输电要靠导线，所有的导线都是有电阻的，光从输电线路消耗的电能就占6%，每年全世界输电线路损耗大约有1.16万亿度电，都是因为材料有电阻而产生发热。如果这个材料没电阻了，这是非常了不起的一件事情。
但是，一般情况下要达到超导状态，温度是非常低的。
因为它是一个非常不可思议的现象，是由电子配对造成的。而电子和电子都是同性的，是不愿意配对的，只有在温度非常低的时候才可以靠在一起。这个太难了，因为电子动来动去，越热电子跳得越厉害，更不愿意配对，所以超导难，高温超导更难。爱因斯坦这些大物理学家都对这个事感兴趣，但是都没解决这个问题。后来先后有5次11个人因为超导这个问题获得诺贝尔奖，因为它应用非常多。你们就可以想象出，达到室温超导、高温超导的意义。
就像我们讲经济发展是硬道理一样，提高材料的转变温度是高温超导研究的硬道理。
刚开始发现的超导现象都在零下269度附近。要将这个材料呈现超导特性，使电阻不发热，要用液氦把它泡起来，液氦每升是100块钱，一天用10升是很典型的仪器，10升是一千块钱，就是一瓶茅台的价格。你让计算机工作，变成超导状态，用一瓶茅台的价钱供应它显然也没法用。
在1986年，瑞士两个科学家发现了超过77K的高温超导材料。但是又带来了一个问题，77K以上是便宜了，可以用比较便宜的价钱维持超导器件的运作，但是大家在科学上不理解这么高的温度是如何产生超导的，如果理解了就有可能找到室温超导，所以大家都想去理解它。
但是过了三十多年，今年是第31年了，机理还完全不清楚。这两个科学家发现的超导材料为什么这么高的温度下还能实现超导状态？是我们物理学的世纪难题。
如果我们了解了这个机理，我们就可以去设计高温超导材料了。如果室温超导出现了，它的意义不亚于电的发明。这很可能导致产业的革命。大家都看过《阿凡达》，2154年发明的一种材料是“不可得到的”，有一个悬浮山，这个悬浮山就是室温超导体。如果室温超导出现了，就真会出现这个场景。
作为我自己深刻思考后的见解，如果再一次用材料定义人类文明进步新的时代，下一个材料很可能就是室温超导体。
我认为它的发现可能会导致一次新的工业革命。我再次强调这个不是绝对的，再过几百年，人类发展的历史上肯定会出现一种材料，一种新奇的材料使我们整个世界再一次发生翻天覆地的变化，我们的交往方式、学习方式、生活方式都会发生重大的变化，室温超导体是一个。当然还有更聪明的年轻人，更聪明的下一代，你们可能会想象出比室温超导还好的材料，可能也会重新定义下一个人类文明。
如果中国的科学家能掌握这个材料，中华民族的强大就是一个非常可能的事情。
我的报告到这里就结束了，谢谢大家！