前言

　　在当今复杂多变的国际环境中，我国正在积极 推动科技自立和独立创新。本书从科学发展历程开 始，以简明易懂的语言呈现了微纳科学领域的最新 研究成果，使读者能够领略中国科学家的风采，树 立对国家未来发展的信心。

　　创新与学习从来不是对立的，而是相辅相成的 关系。但必须明确我们学习的目的一定要能够实现 自主创新，以创造国际水平为目标，而不是仅仅达 到国际水平。实现“中国梦”需要“中国精神”的 引领与支撑，建立自信的创新思想与文化是当务之 急，这是一项长期的、需要不断完善的工作。包括 美国在内的国家，其创新体系与创新环境也是通过 多年全社会共同努力、共同营造的。完善保护创新 的法律与制度，制度规范的建立与实施过程监督将 决定持续性创新能否进行下去。

　　在阅读之前，我们必须了解自身认知的局限性， 以科学与正面积极的态度对待我们暂时无法理解和 明白的发现与结果。历史告诉我们，几乎所有科学 的重大突破都归集于某个或某几个研究人员的关键 工作。人是一切创新思想的起源与载体，将具有创新思想和历史责任心的人放在能够发挥作用的平台上，并给予信任与支持， 将大大加快创新的步伐与创新水平的提高。

　　创新文化对于个人是一种敢于担当、坚韧不拔、积极乐观的态度，对于 社会是宽容、理解、支持的环境。相信随着国家的发展、社会创新能力与意 识的不断提高，不畏艰险、勇于创新、努力工作的“中国精神”必定会让中 国创造引领和影响未来人类科技与文明的进展。

　　在本书的写作过程中，我查找了大量的资料，深深地感受到人类在探索 自然、认识自然，并进一步改造自然的过程是多么的荡气回肠、彪炳千秋， 充满了壮丽的历史场景和千秋功绩。一批又一批富有才华的学者、科学家和 工程师凭借他们的智慧和不懈努力，使人类摆脱了中世纪的迷信和无知。他 们以独特的思考、归纳和分析能力，尽管当时的实验条件和工具非常原始和 简单，但他们的成就充分展示了人类文明的光辉，因此几百年来获得了全世 界不分国度、种族、年龄的人们的高度认可与尊重（如他们的雕塑与画像被 安放在世界各地的广场、博物馆与学校里）。他们中的一些人甚至获得了在古 代需要通过赫赫战功才能够获得的爵位，并且在他们过世后获得国葬的待遇， 遗体被安放在国家最为神圣与最为庄重的场所中供后人凭吊与瞻仰。他们的 成就是整个人类的共同骄傲，值得后人学习与效仿。

　　几千年来，这些学者、科学家和工程师创造了伟大非凡的科学成就与工 程奇迹，同时他们也都是有血有肉、敢爱敢恨的普通人。他们质疑现有的信念， 挑战常规智慧，并踏上了发现之旅。他们的革命性观点和开创性理论推动了 人类知识边界的拓展，并为现代科学奠定了基础。

　　在这些非凡的个体中，一些具有开拓精神与创新思想的人面对来自同时 代部分人（有时候是大部分人）的反对和怀疑，遭受敌意的打压与迫害。他 们所倡导的观点与设想曾遭到嘲笑、蔑视，甚至谩骂，常常被视为异端或被 排斥。然而，他们在追求真理的道路上始终坚定不移，无论遇到什么障碍都不曾动摇。他们坚定的决心和挑战现状的勇气最终引发了范式的转变和科学的革命。

　　科学探索之路并非没有牺牲。那些敢于质疑既定规范的学者、科学家和 工程师常常面临个人和职业上的困境。因为他们持有非传统的观点，所以他 们遭受了批评、谴责，甚至迫害。然而，他们的坚韧和对知识的奉献推动了 人类进步，为后代铺平了道路。

　　这些先驱者的不懈努力扩展了我们对宇宙和自然世界的认知。物理学、 化学、生物学和数学等领域的概念和理论都源于他们的开创性工作。从热力 学定律到能量守恒原则，再到麦克斯韦方程组，这些科学巨匠在人类文明史 上留下了不可磨灭的印记。

　　经过几千年的努力，虽然我们在了解世界方面取得了重大进展，但我 们必须认识到我们当前的知识水平仅仅是一个起点。宇宙的范围和自然界的 复杂性远远超出我们的理解能力。正是通过学者、科学家和工程师的集体努 力，无论过去还是现在，我们才能不断揭开宇宙的奥秘，深化对自然世界的 理解。

　　人类的成就证明了人类好奇心的伟大作用和追求真理的顽强精神。尽管 他们面临巨大的挑战，但他们的坚定奉献推动了人类集体知识的前进步伐。 站在这些巨人的肩膀上，我们有责任传承他们的遗产，推动人类对世界探索 的进程，并拥抱前方无限的可能性。

　　作者曾经在大学教授多年的物理系本科专业课——热学，并且先后开设 了多门与能源、碳中和与微纳技术相关的课程。为了备课，作者一直在学习 与收集相关的资料。我发现与物理系的其他几门核心专业课（如力学、电磁 学、量子力学）的教科书内容相比较，作为曾经号称四大力学之一的热学教 科书中的内容相对单薄，似乎无法充分反映热能量和温度在大自然中的普遍 性与广泛性。通过在诺贝尔物理学奖官方网站上查找与“热”和“温度”的关键词，作者发现在过去 120 多年中颁发给直接与热学和温度相关的奖项非 常有限，或许这是热学教科书内容相对单薄的部分原因吧。诺贝尔物理学奖 与“热”和“温度”相关获奖者和获奖理由如下：

年份  获奖者  获奖理由1910  约翰内斯·迪德里克·范德瓦尔斯（Johannes Diderik van der Waals）  关于气体和液体状态方程的研究  

1911  维恩（Wilhelm Wien）  关于热辐射定律的发现  

1912  达伦（Nils Gustaf Dalén）  发明了自动调节器，与气体蓄电池配合使用，用于灯塔和浮标照亮1913 昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）  用于研究低温下的物质特性，尤其是液氦的产生1928  理查森（Owen Willans Richardson）  在热电子发射现象方面的工作，特别是发现以他名字命名的定理

1978  卡皮察（Pyotr Leonidovich Kapitsa）  在低温物理学领域的基本发明和发现

　　石器时代的结束并非因为所有的石头都被用完，而是因为人类发明了更 为有效的工具。随着微纳尺度科技的测量与研究手段的进一步发展，相信未 来将有更多与热和温度相关的研究获得如诺贝尔科学奖般的成果。

　　人类对世界的探索是一项伟大而永恒的任务。世界的复杂性和多样性使 我们永远无法穷尽其奥秘。世界之大、宇宙之浩瀚，还有很多有待我们去发 现和认识的自然规律。在此，特借本书与各位读者共勉，让我们继续探索世界、 认知世界，为人类与自然创造一个和谐、相辅相成、基于科学认知而构筑 更美好的社会与科学体系以及为构建一个更加美好、绿色、可持续的世界而 努力！

　　科学是我们认知世界和探索自然规律的重要工具。科学方法的运用使我 们能够以客观、系统的方式观察和理解世界。通过科学研究，我们可以揭示自然现象背后的规律性，并提出解释和预测。基于科学认知构筑的科学和社 会体系能够为人类创造更加和谐、美好的未来。

　　人类是自然界的一部分，我们与自然相互依存、相互影响。保持人类与 自然的和谐共处是构建可持续未来的关键。通过科学认知，我们能够更好地 理解生态系统的复杂性，采取可持续发展的方式利用自然资源，并保护生态 环境，实现人与自然的共同繁荣。

　　基于科学认知构建的社会体系应当追求和谐、可持续的发展。这意味着 我们需要关注环境保护、资源可持续利用、社会公正和经济发展的平衡。通 过科学技术的创新和应用，我们能够寻找更加绿色、清洁的能源替代品，建 立低碳、环保的生产方式，促进经济繁荣与社会公平并存。

　　我们面临着众多挑战，如气候变化、生物多样性丧失和资源枯竭等。然而， 通过持续的探索、科学认知和可持续发展的实践，我们可以迈向一个更加美 好、绿色、可持续的世界。这需要全球合作、政府、企业和个人的共同努力， 以科学为指导，制定和执行可持续发展的政策和行动。

　　在我们追求探索世界、认知世界的道路上，我们应坚持科学认知，推动 构建和谐、美好的社会与科学体系。通过科学的力量，我们能够实现人类与 自然的和谐共处，创造一个更加绿色、可持续的世界。让我们携手共进，为 实现这一美好愿景而努力奋斗！

　　本书利用作者多年的科研成果作为主要内容，同时参考了各类书籍、文献、互联网资源等，如有遗漏或不足之处，热切期待各位读者提供宝贵意见。

　　本书经历了数年的构思和创作过程，我要特别感谢清华大学出版社的宋成斌老师和刘杨老师给予的鼓励与支持！

　　我要特别感谢张朝云教授、赵美东老师与林恒兴同学在本书撰写过程中所给予的巨大帮助！

　　非常感谢科学技术部、教育部、国家自然科学基金委员会、国家外国专家局、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、云南省科学技术厅、中 国核工业集团、华为公司一直以来的支持与帮助！

　　本书引用了上海交通大学纳微能源创新团队及其合作伙伴共同发表的论 文。在此，我深表感谢！

     结束语：1997 年，美国苹果公司总裁史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）将 “Think Different”确立为公司的广告口号。他亲自朗读并录制了一段由美国 领先的创意广告制作人罗布·西尔塔宁（Rob Siltanen）创作的题为“致那些 离经叛道者”（Crazy ones）的自由体诗，将其作为一分钟长的电视广告呈现 给观众（注：后来在电视上播放的是由电影演员理察德·德雷福斯（Richard Dreyfuss）录制的版本）。

英文原文  中文翻译  

Here’s to the crazy ones, the misfits, the rebels, the troublemakers, the round pegs in the square holes,  那些格格不入的反叛分子，那些惹是生 非的家伙，The ones who see things differently.  如同方孔里的圆钉一样是些异类，总是异想天开。

They’re not fond of rules and they have no respect for the status quo.  他们不满条条框框，从不墨守成规。

You can quote them, disagree with them, glorify or vilify them.  你尽可以支持或反对他们，可以赞美或中伤他们。

About the only thing that can’t do is ignore them because they change things.  但你唯一不能做的就是忽视他们。They push the human race forward.  因为他们改变了这个世界，他们推动了人类进步。

While some may see them as the crazy ones, we see genius.  虽然有些人视他们为疯子，我们却称其为天才。

Because the people who are crazy enough to think that they can change the world are the ones who do.  因为那些妄想改变世界的人，正在改变世界。