科技原始創新的案例和規律

路甬祥

一、自然科學的重大理論突破，需要善于發現已有理論與實際的矛盾，需要勇于挑戰傳統理論的自信與勇氣；重大理論的創建和形成，往往經歷長時間的爭論以至非難，在得到反復驗證后才被公認。

案例1 狹義相對論的創建

精心設計的邁克耳孫（A.A. Michelson，1852-1931）-莫雷（E.W.Morley，1838—1923）實驗對傳統的“以太”漂移學說給出了否定的結果，洛倫茲 （H.A.Lorentz，1853—1928）的解釋雖然起到了修補漏洞的作用，但仍囿于傳統時空觀。愛因斯坦（A.Einstein，1879-1955〉革命性地提出了統一的時空觀，帶動了整個物理學的革命。雖然愛因斯坦1921年因對數學物理做出的貢獻和闡明光電效應規律而獲諾貝爾物理學獎，遺憾的是，他在1905年對狹義相對論和1915年對于廣義相對論的貢獻卻沒有作為獲獎的主要理由，然而，這些正是20世紀物理學最偉大的理論成就。

案例2 量子論的提出

基于麥克韋（J.C.Maxwell，1831

—1879）經典電磁理論推演出的黑體輻射定律在長波區的實驗中暴露出了矛盾，在原有理論框架下解釋這一矛盾的努力均未獲成功，普朗克（M·K·E·L·Plank，1858—1947）革命性地提出了能量的變化不是連續的，而是有一最小單元，引入了普朗克常數的概念，導致了量子論的誕生。普朗克因此獲1918年諾貝爾物理學獎。

案例3 高分子理論的創立

德國化學家施陶丁格（H. Saudinger，1881—1965）針對當時許多科 學家都把高分子溶液視為肢體的情況，首先提出高分子化合物的概念，并提出高分子是由以共價鍵連接的長鏈分子所組成的理論，他不同意把橡肢、纖維等結構看作膠體小分子的物理締合。經過長達10余年的激烈論戰，由于發明了超離心機，測出了高分子的大分子量，以及其他一些實驗研究結果的證實，高分子理論才被人們所接受。施陶丁格因此獲1953年諾貝爾化學獎。

二、原始性重大發現多來源于對實驗事實敏銳的觀察和獨具創意的實驗。

案例4 X射線的發現

1895年11月下旬的一個晚上，倫琴（W.C.Rontgen，1845—1923）在探 索陰極射線的研究中，在檢測實驗裝置是否有漏光時，意外地發現了1米外的涂有鋇鉑氰化物晶體的護罩上有發光現象，他敏銳地認識到這是一種具有強穿透力的新射線，并設計了一系列實驗加以驗證。這一重大發現不但改變了近代物理學的面貌，而且為現代材料和醫學科學研究與診斷提供了嶄新的手段。倫琴獲1901年諾貝爾物理學獎。

案例5 遺傳物質DNA的發現

美國科學家赫爾希（A.D. Hershey，1908-1997）精密地設計了一個試驗，用放射性同位素標記噬菌體中的DNA和蛋白質外殼，為證明DNA是遺傳物質找 到了直接證據。與德爾布呂克（1906—1981）、 盧里亞（S.E.Luia，1912—1991）一起因為將細胞遺傳學研究轉變為可精確測量和定量實驗的科學而分享1969年諾貝爾生理學/醫學獎。

案例6 “移動控制基因”的發現

美國女生物學家麥克林托克（B.McClintocl，1902—1992）在長期對玉米進行雜交實驗中，觀察斑點玉米的放大照片，發現玉米粒斑點的出現頻率和出現部位的變化率用孟德爾（G.Mendel，1822—1884）的遺傳法則無法解釋，由 此發現了“移動控制基因”，獲1983年諾貝爾生理/醫學獎。

三、新的科學儀器和裝置的發明，往往打開一扇新的科學之門。

案例7 粒子加速器的發明

粒子加速器是研究核物理學和粒子物理學的強大實驗手段，它的發展與核物理學和粒子物理學的發展休戚相關，也可以說是理論科學、實驗科學和技術科學相互依存、相互促進的一個典型代表。1930年第一臺回旋加速器建成，開創了實驗粒子物理的新紀元。美國科學家勞倫斯（E.O.Lawrence，1901-1958）因發明回旋加速器并由此獲得大量放射性同位素，獲1939年諾貝爾物理學獎。

案例8 電子顯微鏡與隧道掃描顯微鏡的發明

電子顯微鏡的發明為20世紀材料科學和生命科學研究微觀結構提供了新的工具。隧道掃描顯微鏡使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態，了解與表面電子行為有關的物理、化學性質，在材料科學、生命科學等領域的研究中具有重大的意義。德國科學家賓寧（G.Binning，1947-）和瑞士科學家羅赫爾（H.Rohere，1933-）因發明隧道掃描顯微鏡與在50年前設計第一臺電子顯微鏡的德國工程師魯斯卡（E.Ruska，1906-1988）共獲1986 年諾貝爾物理學獎。

案例9 “激光冷卻”實驗裝置俘獲原子

美籍華裔科學家朱棣文（Steven Chu，1948—）利用一些光學和原子物理 學的原理，巧妙地設計了“激光冷卻”實驗裝置，使人們能夠將孤立的原子運動冷卻變慢并俘獲它。這項技術在制造高精度原子鐘、重力測量儀和原子“物質波”激光器等方面有著廣泛的應用前景。朱棣文與法國人科昂-塔洛德基（C.Cohen-Tannoudji，1933-）以及另一位美國科學家菲利浦斯（W.Phillips，1948-）共獲1997年諾貝爾物理學獎。

四、重大科學發現和技術與方法的發明，往往對人類健康、社會與經濟的進步產生巨大的推動作用和深遠的影響。

這一類科學發現盡管并不屬于傳統意義上的基礎科學，它們或屬于應用科學或屬于技術和工具的發明，同樣對人類健康、社會與經濟的進步產生了巨大的推動作用和深遠影響，同樣受到科學界和社會的高度評價與尊重。

案例10 青霉素和鏈霉素的發現

英國劍橋大學細菌學家弗萊明（A.Fleming，1881-1955）在1928年抓住了偶然觀察到的青霉菌抑制葡萄糖菌生長的現象進行研究，發現在除去青霉菌后，培養基同樣具有殺菌作用。他由此推論出，這種殺菌劑是青霉菌在生長過程中的代謝產物，遂稱之為“青霉素”。青霉素的發現與應用挽救了千百萬人的生命。弗萊明和發現青霉素巨大療效以及發明濃縮、提純青霉素技術的英國牛津大學教授錢恩（E.B.Chain，1906-1979）和弗洛里（H.W.Florey，1898-1968）獲1945年諾貝爾生理學/醫學獎。endprint

由于青霉素的發現震動了醫藥學

界，因此不少人從事尋找新的抗菌素。

1944年，出生在俄國的美國微生物學

家瓦克斯曼（S.A.Waksman，1888-

1973）在默克公司的資助下，從土壤中分離出鏈霉素。鏈霉素是笫一種對革蘭氏陰性結核桿菌有效的抗菌素，40年代末鏈霉素批量生產，行銷全球，使長期困擾人類的結核病得到了有效的治療。他因此獲1952年諾負爾生理學/醫學獎。

案例11 核磁共振技術的發明

在諾貝爾獲獎者中，有關核磁共振技術就有5人次獲獎，其中美國科學家拉比（I.I.Rabi，1898-1988）因發明記錄原子核磁性的共振法1944年獲諾貝爾物理學獎；1946年美藉瑞士科學家布洛赫（F.Bloch，1905-1983）、美國科學家珀塞爾（E.M.Purcell，1912-1997）因發展精密測量核磁的新方法，以及由此做出的發現獲1952年諾貝爾物理學獎；法國科學家卡斯特萊（A.Kastler，1902-1984）因發明并發展用以研究原子核內共振的光學方法獲1966年諾貝爾物理學獎；瑞士科學家恩斯特（R.Ernst，1933-）因在高分辨率核磁共振分光法分析分子結構發展方面的貢獻獲1991年的諾貝爾化學獎。核磁共振技術不但廣泛運用在科學研究和醫學上，而且是發展量子計算機的主要技術手段之一。

案例12 晶體管的發明

40年代，美國貝爾實驗室的物理學家肖克萊（W.B.Shockley，1910-

1989）、巴丁（J.Bardeen，1908-1991

）和布拉頓（W.H.Brattain，1902-19

87）發明了晶體管。在晶體管廣泛應用10年后的1958年，美國的基爾比 （J.S.C.Kilby，1923-）和他的同事制作的集成相移振蕩器電路成為世界上第一批集成電路，拉開了信息革命的序幕。肖克萊、巴丁和布拉頓因發現晶體管效應和半導體方面的研究而獲1956年的諾貝爾物理學獎。

案例13 激光技術的發明

美國科學家湯斯（C.H.Townes，

1915-）、蘇聯科學家巴索夫（H. Г.Басов，1922-）和普洛霍洛夫（A.M.Iipoxpob，1916-）由于分別獨立研制微波激光器，以及他們在量子電動力學方面的貢獻導致激光器的誕生獲1964年諾貝爾物理學獎。激光技術廣泛應用于光通信、醫療診斷與治療技術、全息照相技術、激光照排技術、激光核聚變技術、計量基準中，激光技術設備已經成為物理、化學、生物等學科必不可少的實驗裝備。由于激光器的誕生，使匈牙利出生的英國科學家蓋伯（D.Gabor，1900-1979）發明的全息照相技術成為實用技術，他因此而獲得1971年諾貝爾物理學獎。

五、良好的科學基礎和前沿性、交叉性的研究也可能偶發重大的科學發現，偶然中寓必然。

案例14 宇宙背景輻射的發現

彭齊亞斯（A.A.Penzias，1933-）和威爾遜（R.W.Wilson，1936-）在用新型衛星的天線接受系統進行測量時，發現了一種相當于絕對溫度3.5K的“噪聲輻射”，經與普林斯頓大學理論物理學家進一步研究，終于確信這種“噪聲輻射”是宇宙背景輻射，為宇宙大爆炸學說提供最有力的支持。因此，獲1978年諾貝爾物理學獎。

案例15 中子的發現

1932年，查德威克（J.Chadwick，

1891-1974）在研究天然放射性α粒子對非放射性元素轟擊時，從測得的結果發現其散射與當時已有的知識不一致。他回憶起若干年前盧瑟福（E.Rutherford，1871-1937）曾推測可能存在一種中性的質量與質子類似的放射性粒子，他推測α粒子轟擊鈹引起的輻射是中子，并列出了方程：

9Be+4α→12C+1n

稍后他還指出α粒子轟擊硼也能產生中子即：

11B+4α→14N+1n

他還確定了中子的原子量。中子的發現使他獲1935年諾見爾物理學獎。

六、數學與計算機工具創造性的應用，也可能帶來自然科學、工程技術、經濟與管理科學方法與理論的突破。

案例16 數學對量子力學創立的作用

海森伯（W.K.Heisenberg，1901

-1976）用矩陣方法寫成的矩陣力學和薛定諤（1887—1961）用代數方法寫出的波動力學理論在數學上被證明是等價的，狄拉克（P.A.M.Dirac，1902—1984）在此基礎上建立了完整的量子力學的數學表述，并在理論上預言了正電子的存在和為規范場的研究建立了堅實的數學基礎，構筑了量子力學的理論體系。三人因此分別于1932年、1933年獲諾貝爾物理學獎。

案例17 測定分子結構的新方法

美國科學家豪普特曼（H.A.

Hauptman，1917-）和卡爾勒（J. Karle，1918-）應用計算機技術，發明了可以通過計算機三維圖像重建直接顯示被X射線透射的分子立體結構的新方法，并已測出包括維生素、激素等數萬種分子結構，推動了有機化學、藥物學即生物學的發展，榮獲了 1985年諾貝爾化學獎。

案例18 數學對經濟學、管理科學發展的作用

從1969年設立諾貝爾經濟學獎以來，有相當多的工作是非常數學化的，其中不乏數學家獲諾貝爾經濟學獎，如康德洛維奇（1912-1986）將線性規劃方法應用到物資調撥理論而獲1975年經濟學獎；克萊因 （L.R.Klein，1920—）因建立“設計預測經濟變動的計算機模式”獲1980年經濟學獎；托賓（J.Tobin，1918—）因建立“投資決策的數學模型”獲1981年經濟學獎。endprint

此外，數學家馮·諾伊曼（J.von Neumann，1903-1957）和經濟學家摩根斯坦（O.Morganstain，1902—1977）長期合作的結晶《對策論與經濟行為》的出版，被認為是20世紀經濟學重大成就之一。

現代管理科學方法很多也來自數學方法，如運籌學、控制論等學科。建 立數學模型、采用有效的算法和利用計算機已成為重要手段。

七、對已有知識的科學整理與發掘，也可能有新的重大發現與理論創新。

案例19 原子結構理論的建立

玻爾在盧瑟福的原子模型和普朗克的量子論的基礎上，建立了原子結構理論。他因此獲1922年諾貝爾物理學獎。

案例20 門捷列夫的元素周期表

門捷列夫（1834—1907）在前人對大量化學元素研究的基礎上，總結出了元素周期律。遺憾的是在他生前，元素周期律未能得到科學的評價，未能獲獎。

案例21 DNA雙螺旋結構模型的提出

沃森（J.D.Watson，1928—）和克里克（F.H.C.Crick，1916—）集中了化學家鮑林（L.C.Pauling，1901 —1994）關于DNA堿基結構特征的化學信息、弗蘭克林女士（R.Franklin，1920—1958）的DNA的X射線衍射照片以及威爾金斯（M.H.F.Wilkins， 1916—）對照片的解釋，進行深入研究，最終提出DNA的雙螺旋結構模型，成為生命科學研究進入到分子水平的標志。因此，與威爾金斯共獲1962年諾貝爾生理學或醫學獎。

八、良好的創新氛圍和高水平的創新基地是產生高水平創新成果的溫床。

從諾貝爾獎獲獎單位相對集中可以看出，創新基地的建設對于取得高水平的創新成果十分重要。

諾貝爾獎獲獎者中師生關系、學術親緣關系屢見不鮮，說明高水平人才的集中凝聚、跨學科交流以及在高水平學術帶頭人領導和指導下，選擇前沿領域和戰略方向，對于創新學術氛 圍的形成和重大創新突破都有重要意義。

從諾貝爾獎獲獎者做出代表性工作到最終獲獎，一般需要10余年，并且有增長的趨勢，說明高水平創新工作被科學界和社會所認同，需要時間。產生世界級的原始創新是一項艱巨和長期的目標，不可急功近利，需要穩定的科技政策予以支持。

九、中青年時期是科學家實現創新突破的峰值年齡。

從諾貝爾獎獲得者的年齡分析，可以看出科學家創新的高峰期是在30—40歲之間，許多是博士學位論文期間的工作。因此，在重視發揮中老年杰出科學家指導作用的同時，必須建立 起正常的人才新老交替和合理流動制度，破除論資排輩、因循守舊的陋習，支持中青年優秀人才，創造性地開展研究工作。特別需要鼓勵和支持二十幾歲的科學家就在前沿領域和重大戰略方向上開始獨立的創新研究與發展工作。

十、創新意識、原始性創新思想與創新戰略比經費與設備更具有決定意義。

20世紀以來，許多具有重大意義的原始創新突破并不都發生在投資最大的地方。

例如：提出相對論的愛因斯坦，當時是瑞士伯爾尼專利局的低級職員，并無專項研究經費；沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構模型研究小組的經費消耗據說也只有數百英鎊；魏格納（A.L.Wegener，1880—1930 ）的大陸板塊與漂移學說的提出也主要得益于他的創新科學思想。

一些實驗科學的原始性重大發現也并不在于特別昂貴的實驗設備，而在于研究人員的創新意識、獨特的實驗構思、周密的實驗和觀測以及科學思維，并且許多是研究生階段的工作。必要資金和設備是科技創新的必要條件，但不是首要條件和充分條件。當然隨著科學向研究極端條件空間和尺度下的物質結構、相互作用及運動規律轉移，生命科學與信息科學向分子和原子等微觀層次，向著納米尺度和飛秒量級發展，在具有原始創新科學思想和正確創新戰略的前提下，充裕的資金與設備保證仍然是十分必要的。

十一、重大科技創新突破及其推廣應用需要相應的創新體制和科學管理。

英國劍橋大學的卡文迪什實驗室（獲25人次諾貝爾獎），德國的馬普學會（獲17人次諾貝爾獎）是從事基礎研究基地的代表，美國貝爾實驗室（獲11人次諾貝爾獎）與IBM實驗室 （獲5人次諾貝爾獎）是公司實驗室的卓越代表，其共同的特點是領導人具有高瞻遠矚的戰略眼光，善于識別與培養創新人才，尤其是善于發現、培養和支持青年人才的創新研究，善于選擇研究戰略方向和重點領域，充分尊重科學家的自主權和學術自由，建立公正的、適時的乃至國際化的科學評估與管理，開展廣泛而經常的國際合作交流，以及營造了優良的研究條件和創 新文化氛圍。

重大科技創新突破及其推廣與應用需要相應的創新體制與科學管理機制作為保證：

必須遴選具有科技戰略眼光，尊重知識，尊重人才，善于管理的領導人，建立一套比較完善可行的人才選拔、吸引、培養、支持與組織管理的體制和方法，建立實施科技創新的人才 隊伍與組織保證。

對于基礎研究與高技術前沿探索，擬應：根據科技發展以及經濟和社會發展的長遠需求，依靠專家，著眼長遠與基礎，選擇重點領域與戰略方向，遴選與凝聚優秀隊伍，建設創新基地，給予穩定支持，鼓勵并尊重科技人員的自主創新探索，科學評估，適時調整，努力保持研究領域、方向的前沿性和研究隊伍的創新活力，孕育原始性創新的重大突破。

對于基礎性和戰略性研究必須根據經濟建設、國家安全與社會發展的重大需求，發揮自身綜合優勢，聯合國內國際優勢力量，開展具有自主創新科學思想和技術路線的系統研究與戰略攻關，力爭取得科學規律的系統知識與重大關鍵技術原始性創新突破或實現創造性的系統集成。不斷完善有利于科技創新及產業化的政策與體制，促使R&D與市場及企業機制接軌，實行體制與機制的適時地轉換，促進創新成果的產業化。

科學技術創新是全球性的創新活動，必須進一步擴大開放，加強國際合作與交流。

在進一步擴大信息和人才交流的基礎上，要積極探索國際性雙邊或多邊研究項目合作、研究機構合作、創新人才培養合作及高技術產業孵化、風險基金及高技術產業經營合作。積極 創造條件吸引優秀人才回國或為國服務，尤其要有目標地禮聘杰出人才來華領銜開展前沿研究或向國際重要研究機構派送研究生與高級訪問學者進行合作研究，建立互利穩定的合作關系，將國際合作推進到新的水平。在提高素質、優化結構的同時，按績效優先的原則，努力提高研究及管理人員的待遇，改革與改善園區工作環境、科研基礎設施和文化氛圍，改善研究生、訪問學者的待遇以及工作與生活條件，增強對優秀人才尤其是青年優秀人才的吸引力與凝聚力，為創新隊伍建設提供基本保證。endprint