赵天朴：从化学工程到应用物理，我的跨行科研体验-SCIE-深圳国际交流书院

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赵天朴：从化学工程到应用物理，我的跨行科研体验

2023年05月17日

■ 作者：赵天朴 Joseph，
■ 深国交2015届毕业生
■ 就读院校：本科入读英国帝国理工学院化学工程专业，研究生入读美国西北大学物理专业

2022年4月，赵天朴在The Journal of Chemical Physics (化学物理期刊)以共同第一作者的身份发表科研文章，该期刊由美国物理学会（American Institute of Physics, AIP）发行。

文章部分截图

一、可以谈谈你的海外学习经历吗？

我大学本科是在帝国理工读的化学工程，属于学校工学院下面的化工系。在化工系里面的时候，我感觉自己对物理更感兴趣，所以本科阶段就自学旁听了大学的物理课程。我自己没有被劝退，越学越感兴趣，就打算未来攻读物理博士，于是申请到了西北大学的物理硕士项目，积累知识和经验，为博士申请作准备。目前我在准备博士申请。

二、你觉得英美大学有哪些不同？

英国的大学确实如同大家宣传那样说，能够给人非常夯实的背景训练。我对帝国理工的物理系和化工系的本科培养方案都挺熟悉的，因为我在上化工系的课的同时也去听物理系的课。他们对本科的训练非常的专精，在大三的时候就能够学到一些在美国研究生阶段才会学的知识。

美国的高校可以自由地选课，跨系讨论、合作都比较方便。这也是我研究生选择申请美国学校的其中一个原因，我很想体验在美国的高校学习的感觉是怎么样的。

除了自由度之外，其实还有一个老生常谈的差异。我觉得这两地的课程运作方式很不一样。在美国这边博士生一般需要做助教，负责为学生答疑、给学生“开小灶”、批改作业；因为人力充足，作业里还有一些自由度比较大的 project项目。虽然这些在在英国也有，但是普遍博士生并不需要都来参与。

在化工系和小组成员合影（最左）

三、为什么会从化工系转到物理系？

我在上大学去帝国理工读化工之前的几个月，接触了一些本科的物理课程材料，发现大学教的物理和高中的不太一样，各种繁杂的概念都能用数学语言来严谨而简明地描述出来，因而产生了对物理的兴趣。

大学的时候我也尝试转专业到物理系，但因为英国每个系之间都是相对独立的，转专业在程序上来说比较困难。在兴趣的驱使下，我争取到了选修物理系课程的机会。可以说，我大学时候的业余时间除了跟女朋友一起玩之外，都用来学物理了。

在读化工专业的时候，我发觉自己对于仍在研发阶段的前沿科技更加感兴趣，例如量子计算，而化工行业的技术框架已经基本完善了。我希望自己未来能够从事研发新兴技术的研究，因此决定去跨专业申请物理系研究生项目。

我申请物理系研究生的时候，既跨国家又跨专业，确实是申请中的hard模式。最主要的困难是跨专业申请：因为我在帝国理工实际上只想办法选了4门物理系与数学系的课，这给向招生老师们证明我的物理学术能力增加了不少难度。而当时的新冠疫情使得我没有机会去考physics GRE（物理学科的美国研究生入学标准测试），我没有太多办法去证明自己的物理基础和能力足以支撑我的研究生学习。

即便如此，最终我还是克服了“双跨”带来的困难，收到了英国帝国理工和美国西北大学物理系offer，我对这两个学校的物理硕士项目都很满意。而考虑到想体验一下美国的高校，我最终选择了西北大学。

参加美国化学学会的秋季年会参展海报

四、自然科学和工程之间的区别是什么？

最直接的区别就是自然科学学科更多关注着颇为基础的“自然是怎样运作的”问题，而工程是在利用科学原理来为人类需求提供解决方案。

我举个简单的例子来描述化工与化学的区别：假设一组化学家发明了合成一种新分子的方法，他们有可能会围绕着这种新分子的性质去做研究，也可能会去研究总结这种方法背后的原理，探索是否可以利用类似的原理来合成别的分子。化学工程师们知道了这种合成分子的方法之后，则会去思考如何设计一整套工业流程去大规模合成这个分子，并且会在经济上考虑是否值得投产。因此化学工程师有时候会自嘲说自己不懂化学，但是很懂得修管道（笑）。

概括来说，我认为自然科学学科大家关注的问题更多是在探索未知现象、理解这些现象背后的规律，一个直观的例子是尝试研究宇宙早期如何演化的宇宙学。而在工程学科大家更关注如何通过设计和优化（硬件、软件、器械、流程等等）来解决人类的需求，而这些设计与优化工作则依靠相关的物理与化学现象的模型。例如说化工所涉及的自然原理俗称“三传一反”，其中“三传”指动量传递（即流体力学，液体和气体运动的基本规律）、热量传递和质量传递（例如不同的物质如何混合、相互扩散），而“一反”则是指化学反应流程和动力学（例如如何建模描述化学反应的速率）。

当然，两者之间有很多的交叉。一些工程问题也会碰到人们目前难以建模描述的自然现象，例如说电池的电解液是离子液体（主要由带电荷的离子组成的液体），但目前我们还没有一个非常完善而准确的离子液体热力学模型，因此离子液体的热力学建模是一些软物质物理学家和物理化学家也很关心的问题。另外，在一些大学也有开设同时能够接受工程与自然科学训练的专业，例如应用物理、工程物理。

五、对于想跨专业申请研究生的同学，你有什么建议吗？

我会建议你首先接触自学一下想要转去的专业的本科课程，衡量一下对这个专业的兴趣还有自己的动机。想清楚了之后如果坚持转专业的话，就努力为转专业做好各种准备。这其中包括在业余时间自学要转的专业课，打下夯实的基础；努力寻找与自己目前专业的交叉点；基础打牢了就去争取相关的实习。在本科或研究生阶段找到自己真正喜欢的领域其实并不会迟，大可为转专业放手一试，不要被困难吓住。

据我所知是有不少人出于对物理的兴趣从别的工程学科转来研究物理的，甚至也有在国内学英语专业的人靠自己努力申请到了国外的物理博士项目（这对于国内物理本科生来说已经是很有挑战的事情了）。从另外一个角度考虑：我认识的人里甚至有在博士后的阶段选择转研究方向的（当然跨度不会太大），博士生期间换导师换研究领域的人也不在少数；同这些比，在研究生阶段转行其实非常灵活。

关于转专业的难度还有一样要补充的：我感觉在英国申请本科母校的研究生难度会相对小一些，主要是因为学校对内的认可度比较高。

当然啦，转专业虽然让我看待问题有了比别人更多元的视角，不过这也让我的学习生涯中少了一些接触物理的时间和机会。如果你是一名高中生，对未来要从事什么工作、在什么领域深造还没什么想法的话，我建议你考虑申请更改专业灵活的地方，比如加拿大和美国。我认为英国更适合在高中的时候就铁了心要钻研专精一个学科方向的人。

与Jens Koch研究组的伙伴们参观实验组的实验室

我在通过zoom来给不在现场的同事们展示显微镜下的超导量子芯片

六、可否分享一下在两个领域的科研经验？

化工系：我和我的合作者一起写了一篇毕业论文，就是图片里发表在The Journal of Chemical Physics的工作。这份工作主要讲的是一个能够准确预测稀有气体和甲烷的流体热力学的模型。这个模型特别的地方在于所有的参数都可以通过第一性原理（量子化学）计算得到，而目前已有的模型都有需要用实验数据来拟合的参数。

这份工作相比于工程研究而言，更偏向基础研究。这个项目的构思完全是由我和我的合作者自己提出的，实施的过程中导师也只是提出了一些建议（但都起到了很关键的作用）。我记得当时每天同我的合作者忘我地讨论着各种脑洞，通过不懈努力攻克了一个又一个难题的过程。我们在合作的过程中各自发挥自己在擅长的领域上的优势。我们在一个国际学术会议上做了报告，它也成了我第一篇发表在核心期刊的文章。

在这个过程中，我从我的合作者那里学到了一些非常宝贵的经验。一方面是学到了如何去写一篇科研文章（他在这份工作之前发表了一篇文章）。另外我的合作者他非常的积极地去支持我提出来的各种各样的想法，我也从他那里去学到了一个精神：如果有一些简单的想法，最好的方法是快速地做一个雏形来验证自己的想法。

物理系：目前在西北大学我在Jens Koch研究组从事着量子超导比特的设计相关的理论研究。在物理系中是比较偏向工程。我目前在不同的项目中尝试着各种各样的思路，有一些获得了初步的成功。

目前为止我的一个体会是，通过参与一个研究项目，让自己挣扎在一片知识的海洋中去学习，能够让自己很快学到一些东西。

为了增强学术背景，我在帝国物理系的open day向一位研究等离子体物理的老师争取到了跟他一起做研究的机会，虽说最后并没有做出非常有学术价值的产出，但是通过跟老师的合作，我学到了如何用物理思维去思考；也让我认识到曾经很感兴趣的一个研究方向与我想象中的不太一样。

七、有没有一些做科研的tips可以分享给学弟学妹？

我认为很受用的一些建议来自温伯格（1979年的诺贝尔物理学奖得主，主要研究粒子理论）写的建议（Weinberg, S. Nature. Four golden lessons. 426, 389 (2003)），我很建议大家读一读。

做科研很重要的一点是课题碰到了瓶颈的话，多坚持一下，尝试将自己的想法好好进行整理，讲给自己的合作者听，通过各种各样的方式尝试着让自己多去深入的思考这个问题，而不是轻易放弃。面对一些难题，坚持可能是唯一攻克的方式。我目前的导师曾经说过一句话：解决问题唯一的方式就是花时间。

我在以前本科的科研实习中面对困难放弃过，但是最后我放弃的想法，靠着一个博士生坚持不懈的努力实现了；而我自己也曾经体会过一直坚持着去思考一个想法，最后克服了很多挫折成功实现了这样的经历。不过我也从其他人的博士生经历里看到了在适当的时候要放弃的建议，我认为也是合理的。

做科研一定会遇到很多挫折；这些挫折有可能来源于和自己和合作者的沟通上的不顺利，也可能来源于想法非常难以实现。保持耐心很重要。

八、在你现在的学习生活中，哪些习惯是在国交的高中生活中培养的呢？

其实我在国交称不上是一个特别认真的好学生，不过我确实在这里养成了主动独立思考的习惯。国交的老师并不会去限制学生怎么样去思考问题，而且有的老师特别喜欢和学生一起去讨论问题，想法非常开明，老师跟学生之间经常有很自由的讨论，这确实有帮助到我去独立思考，也令我擅长于自学。

虽说有的新同学听到“自学”的字眼会介意或担忧，但自主独立学习知识的能力是非常重要的，到了大学更为关键。虽然说如果有老师条理清晰、富有启发性的指导会让学习效率事半功倍，但是否能够掌握、内化知识是需要自己主动学习思考的。另外，大学的课程学习中，上课只占很少一部分时间，最主要的学习还是通过自己阅读课本和其他材料、研究习题并且与同学讨论。高中的学习模式也令我在大学能快速适应。

另外多实践多练习也非常重要。最基础的一种练习方式就是做有挑战、有启发性的习题。

九、记忆中在国交有哪些人对你有比较大的帮助？

深国交的校友网络非常强大，你可以通过校友群或者招生办老师们很方便地去认识自己上一届或上几届的人。我在国交的时候接触过一些已经在读大学的学长学姐，从他们那里我了解到本科是怎么样的、可能会遇到一些什么问题。

两位学长学姐给了我很大的启发、灵感与帮助。一位是06届的杨欣玫学姐。她经常在国交的网站和画册上投稿，分享自己在应用物理求学和职业生涯中的体会与心得。从她的投稿里我得到了很多新见解，比如物理虽然是基础学科，不过同样也有可以工程上落地实现的研究。我推荐对工程和物理感兴趣的学弟学妹们可以读一读她的投稿。

不过对我影响更大的是我们的邮件交流中她给我的建议、支持和鼓励。我最开始认真思考从化工改道研究物理的时候，咨询过她的建议；她支持了我的想法，并且描绘了一条大致的路径，从打下夯实的物理基础、思考物理和工程之间的联系开始，到了解目前学术研究的前沿和未知，一直到寻找自己能为科研界和社会作出贡献的方式。这些给了我莫大的信心，这条路径也让我有了一条清晰的努力方向。她也反复同我强调物理与工程是融会贯通的，虽然在当时我并没有太大的体会，但这句话在我现在的物理科研经历中被验证了很多次；依靠着我在化工系学习研究习得的技能，我化解了很多自己在物理科研中的瓶颈。

另一位影响我很多的是14届的朱彦深学长，我从这位榜样那里学习到了一些很好的生活与工作习惯，比如说系统地整理自己的各种文件。他非常博学多识，我也从他身上学到了一种对待其他的文化与事物关心与好奇的态度。我也从他那里得知了各种各样关于大学的体验，还在与他的沟通中了解了化工，有了最初的对于化工的兴趣。后来他去了比利时的鲁汶大学（KU Leuven）读化工的博士了，我跟他还一直有联系。

十、你觉得学弟学妹在国交最重要的是要学到什么？

是自学，学到如何自学，如何去独立地学习。

这个建议其实没有在开玩笑，因为我们每个人的未来都需要为自己做主，这种做主，包括未来需要在大学的时候去作出各种选择：小到如何选择适合自己的学习方式、如何安排自己的学习计划，大到要学什么样的专业、要做什么样的研究、要从事什么样的工作……这些所有的问题，最后终归是要自己来回答的，而并非是别人可以给你直接提供一个答案。因此在国交的时候能够自主地对各种兴趣去进行探索、自己去尝试为自己做判断，这是个很重要的事情。

我也看到了现在国交的学弟学妹有条件去做各种各样的尝试，在国交每个学科也都有足够大的舞台，能够让学生去尝试努力拼搏。我也经常能看到学弟学妹们在各种各样的比赛里展现自己的实力，获得很棒的成绩。

十一、未来会继续做科研吗？

我有可能会去继续我目前的研究方向。

我目前的研究方向是超导量子计算的硬件，相比于在大学科研，我可能更想去国家实验室或者是企业做研究，比如说 IBM和谷歌，他们都有内部团队，国内也有一些研究机构在关注，比如阿里巴巴有一个研究团队。其实这个领域一直在变化，我们也不清楚我博士毕业了之后这个领域是什么样子的，在国内的发展情况如何，边学边看吧。