一個好的實驗室和研究部門離不開好的設(shè)備和儀器，而一臺成功儀器設(shè)備的研發(fā)背后卻是實現(xiàn)這臺設(shè)備的物理原理、數(shù)學和自動控制方法等最有力的體現(xiàn)和運用。國內(nèi)目前自主開發(fā)的儀器設(shè)備太少了，有分量的就更少了。我們只是一味地在買設(shè)備，長此以往，后果不堪設(shè)想。每每在實驗室里，看到這個國家的設(shè)備、那個國家的設(shè)備，唯獨鮮見我們自己的設(shè)備，中國制造怎么就這么難!僅從科學研究和應(yīng)用的角度來說，是什么阻礙了我們的科學儀器設(shè)備的發(fā)展和技術(shù)進步，筆者試圖從三個方面來闡述這個問題，主要包括物理原理、數(shù)學和集成電路等。

　　從物理原理的掌握和運用上來說，這是限制我們深入發(fā)展和創(chuàng)新的第一個原因。

　　舉個例子。1986年，諾貝爾物理學獎授予了掃描隧道顯微鏡STM(scanning tunneling microscopy)研究的幾位工作者， 其中之一是瑞士魯西利康(Ruschlikon)IBM的德國物理學家格爾德·賓寧(Gerd Binnig)和瑞士物理學家羅雷爾(Heinrich Rohrer)，表彰他們設(shè)計出了掃描隧道顯微鏡。

　　STM的基本原理就是利用量子力學中的隧道效應(yīng)，在金屬針尖和樣品表面形成隧道電流，從而實現(xiàn)了原子的表面成像。但是限于當時的技術(shù)條件，樣品只能是導電的，還不能在非金屬表面上進行成像。然而，隨后的發(fā)展卻更讓我們吃驚，一些科學家又相繼開發(fā)出能夠在絕緣襯底上成像的原子力顯微鏡AFM(atomic force microscopy)，它是以硅或氮化硅為針尖與樣品表面直接接觸(contact mode)，施加到樣品上的力小到只有幾個納牛(nN)，甚至更小。這樣，一下子就將測試的樣品類型擴展到了幾乎所有的被研究的材料表面。隨后，人們又開發(fā)了多種多樣功能類型的表面成像設(shè)備。從此，在微米、納米尺度甚至原子水平上表面特性的研究進入到一個嶄新的領(lǐng)域。由此看來，物理原理的掌握和運用實在是一個重要因素。

　　對數(shù)學的理解和運用是第二個主要因素?，F(xiàn)代工業(yè)絕大部分技術(shù)的實施都是以計算機控制為基礎(chǔ)，因此，需要對諸如電壓等物理模擬量進行數(shù)字化，然后計算機才能夠進行有效的數(shù)據(jù)采集，再對數(shù)據(jù)進行分析，光滑處理，包括濾波分析、時域分析和頻譜分析等，最后輸出圖像等一系列過程。其中，要用到很多數(shù)學運算，傅里葉變換(FFT)、拉氏變換(Lplpace)、卷積(convulution)、相關(guān)(correlation)和互譜(cross spectrum)等。從這些分析途徑中可以對信號進行頻率的提取、圖像的光滑處理和未來事物發(fā)展的預測等。我們每每能夠看到一些設(shè)備的軟件不僅界面做得漂亮，而且其數(shù)學處理真是很專業(yè)、深入又實用。現(xiàn)在，我們看到國內(nèi)某些研發(fā)部門也都做出了不少有自己特色的軟件，但能否持續(xù)開發(fā)升級堅持下去，仍是一個問題。因此，只有當從數(shù)學原理上有了深刻的認識，并應(yīng)用到設(shè)備上，這才能發(fā)揮數(shù)學真正的作用。