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1947年，贝尔实验室的三位物理学家在探索半导体基本规律时，意外发明了晶体管，这项看似基础的研究开启了信息时代的大门。晶体管能够放大和切换电信号，取代了笨重的真空管，成为现代电子设备的核心。从智能手机到人工智能，几乎所有现代科技都依赖于晶体管的高速运行。这项发明并非源于商业目标，而是源于对未知的探索和对科学的坚持，得到了贝尔实验室自由开放的研究环境和联邦政府对基础研究的资助。硅逐渐取代锗成为主要材料，推动了集成电路和微处理器的发展。如今，微小的晶体管支撑着全球经济、通信和科技进步，而基础研究的持续投入和对未知探索的支持，是孕育未来颠覆性技术（如量子计算、先进材料等）的关键。
💡 晶体管的发明源于基础科学探索而非商业目标。1947年，贝尔实验室的约翰·巴丁、威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿在研究锗半导体时，通过结合量子力学洞见和固体物理学实验，成功制造出晶体管。这项成就并未预设具体产品，而是源于对电子在半导体中运动规律的好奇心驱动的探索，最终开启了信息时代。
🚀 晶体管是现代科技的基石，彻底改变了电子工业。它能够放大和切换电信号，取代了笨重的真空管，使得智能手机、计算机、卫星等几乎所有现代信息技术成为可能。随着硅取代锗成为主流材料，晶体管的尺寸不断缩小，性能不断提升，如今指甲盖大小的芯片上可容纳数百亿个纳米级晶体管，以惊人的速度运行，支撑着数字世界的运转。
💰 基础研究的持续投入是科技进步的关键。晶体管的诞生受益于贝尔实验室的自由研究环境以及联邦政府对基础研究的资助，这体现了范内瓦·布什“科学：无尽的前沿”报告的理念。尽管在追求短期回报的环境下，基础研究常面临挑战，但正是这些可能数十年后才显现价值的探索，孕育了人工智能、核能、激光等领域的重大突破，也预示着未来量子材料、有机-无机杂化材料等新方向的潜力。
🌐 晶体管技术支撑着庞大的全球经济和现代社会体系。最初在实验室中诞生的原型，如今已发展成为价值超过5000亿美元的全球半导体产业，支撑着经济、国家安全、医疗、教育和通信等各个领域。未来颠覆性技术的出现，仍将依赖于坚实的基础科学、充足的资源支持以及自由探索未知的空间，需要对“无保障的冒险”给予资金和信任。
Julia R. Greer 2025-09-16 20:38 北京
1947 年 12 月，美国贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories，简称“贝尔实验室”）的三位物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）、威廉·肖克利（William Shockley）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）利用细金丝和一块锗，制造出一种紧凑的电子器件。该发明后来被命名为“晶体管”，三人也因此于 1956 年获得诺贝尔物理学奖。晶体管能够放大和切换电信号，彻底改变了此前依赖笨重而脆弱的真空管的电子工业格局。值得注意的是，三位发明者并非有意追求某种具体产品。他们起初只是探索电子在半导体中的运动规律，研究锗晶体表面态和电子迁移率。经过数月的试验与改进，他们将量子力学的理论洞见与固体物理学的动手实验结合起来，最终取得突破。许多人原本认为这类研究过于基础、学术，甚至缺乏实际价值，但正是这种好奇心驱动的探索，开启了信息时代的大门。随着时间的推移，晶体管成为现代科技的根基。从智能手机、计算机到卫星、核磁共振成像、全球定位系统乃至人工智能平台，几乎所有当代信息技术都依赖晶体管高速调制与传输电流的能力。这项突破并非源于商业计划或产品推介，而是出自对未知的探索与坚持。贝尔实验室为此提供了自由和支持，使研究人员能够开展开放性、好奇心驱动的实验。1947 年底晶体管首次成功演示后，相关成果最初在贝尔实验室内部保密，以便申请专利并继续研发。直到 1948 年 6 月 30 日，在纽约召开的新闻发布会上才首次向公众公布，随后在 Physical Review 期刊上发表了奠基性论文。
晶体管的核心材料是半导体，如锗以及后来取而代之的硅。半导体可以根据结构与电荷的微小调控，表现为导电或绝缘特性。典型的晶体管中，只需在某一部分（“栅极”）施加微小电压，即可决定另一部分（“沟道”）中的电流是否流动。正是这种简洁的控制机制，被成倍放大数十亿次，使手机能够运行应用程序、电脑能够渲染图像、搜索引擎能够在毫秒内返回答案。早期晶体管采用锗，但研究人员很快发现硅在热稳定性、耐湿性和资源丰富性上更具优势。到 20 世纪 50 年代末，硅逐渐取代锗，推动了集成电路的出现，并最终催生了当今微处理器。如今，一块指甲盖大小的芯片可容纳数百亿个硅晶体管，其尺寸以纳米为计量单位，比许多病毒还要小。这些微小开关每秒开关数十亿次，控制着计算、存储、图像和声音处理以及人工智能所需的电信号流动。晶体管构成了现代数字设备的根本基础。目前，全球半导体产业规模已超过 5000 亿美元。最初在物理实验室中诞生的实验原型，如今支撑着全球经济、国家安全、医疗卫生、教育与通信体系。推动晶体管技术发展的许多关键认识，源自联邦政府资助的大学研究。据统计，20 世纪 50 年代贝尔实验室晶体管研究中，近四分之一来自联邦政府资助，其余大部分则得益于 AT&T 电话垄断所带来的丰厚收益。这一体系受启发于 1945 年由范内瓦·布什（Vannevar Bush）应杜鲁门总统之邀撰写的报告《科学：无尽的前沿》。报告呼吁政府持续投资基础研究。这一传统延续至今，并在核能、激光、医学技术和人工智能等诸多领域带来丰硕成果。历代受过基础研究训练的学生，也由此推动了技术的不断突破。在当今追求短期回报和快速应用的环境中，基础研究往往难以获得正当性。然而，正是那些可能几十年后才显现价值的探索，才是未来科技进步的关键。数学家兼计算机科学家约翰·麦卡锡（John McCarthy）在 20 世纪 50 年代末提出“人工智能”一词，并在麻省理工学院组建了最早的 AI 研究小组，开发了至今仍在科学计算与 AI 应用中使用的编程语言 Lisp。当时人工智能的实际应用前景遥不可及，但这一奠基性工作为今日的 AI 世界打下了基础。在经历 20 世纪 70 年代后的低谷与“人工智能寒冬”后，神经网络因数据、算力和理论局限一度被冷落。但研究者如杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton）和约翰·霍普菲尔德（John Hopfield）仍坚持探索。霍普菲尔德于 1982 年在《美国国家科学院院刊》上发表论文，提出划时代的神经网络模型，揭示了集体计算与无序磁系统行为之间的深刻联系。他与辛顿等人的研究共同为今天深度学习的爆发奠定了基础。两人也于 2024 年同获诺贝尔物理学奖。神经网络的繁荣还得益于图形处理器（GPU）的发展。GPU 最初为游戏设计，但其矩阵运算能力恰好契合 AI 需求。而 GPU 本身则源自数十年材料科学与固体物理学的基础研究成果，如高介电材料、应变硅合金等。今天，我们正进入另一个前沿，探索忆阻器、相变与二维材料、以及自旋电子学器件等新方向。如果你正在使用手机或电脑阅读这篇文章，你所握在手中的，正是建立在“好奇心冒险”之上的成果。同样的好奇心，如今依旧活跃在大学与科研实验室中。那些看似琐碎甚至冷门的研究，可能在 50 年后改变人类生活的方方面面。现代经济中，英伟达、微软、苹果、亚马逊、谷歌等巨头的存在，都离不开不起眼的晶体管与科学家们对知识的执着追求。未来的“下一个晶体管”或许已不再是开关，而可能来自量子材料、有机-无机杂化材料、分级结构，或尚未被想象出的工具。但有一点可以肯定：它必然需要坚实的基础科学、充分的资源支持，以及自由探索未知的空间——并且需要有人愿意为这种“无保障的冒险”提供资金与信任。
原文链接：1.https://www.technologyreview.com/2025/09/08/1123214/opinion-basic-science-research-funding/
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