從“模仿式”進步到“顛覆性”創新

第四次工業革命的開端

就工業發展來說，經過“機械化、電氣化、自動化”等三次工業革命之后，今天，我們迎來了“互聯網”為經絡的第四次工業革命，這就是“智能化”。就世界范圍來說，“互聯網+”的時代已經到來！大數據使“數字地球”“數字社會”“數字生存”成為現實。人與人、物與物、車與車、船與船，幾乎被一網打盡！3D打印、智能材料、智能穿戴、無人駕駛汽車、無人駕駛軍艦、無人駕駛飛機，等等，使工業生產更加綠色、更加高效，智能化機器人團隊一躍成為工業生產的主要“勞動力”。

顛覆性創新

是跨越式發展的標志

“創新”一詞源自熊彼特，但100多年悄無聲息，真正引起社會關注是1997年。克隆羊“多莉”造成的“克隆震撼”，“知識經濟”帶來的“思想風暴”促使全世界不得不認真思考“創新”的意義和內涵。于是，“創新”迅速變成了全社會的時代精神。

對我國來說，未來的5年是全面決勝小康的“沖刺階段”，是跳出中等收入陷阱的“起跳節點”，是中華民族偉大復興的“百年渡口”。因此，在這十分重要的“關鍵時期”，如何依靠科技創新來引領和支撐中華民族實現“宏偉跨越”，意義特別重大。

到目前為止，我們可以自豪地說，中國是一個科技大國。作為經濟支撐，我們的經濟總量躍居世界第二位，而且在可預見的未來，會迅速成為世界第一。就科技發展來說，經過改革開放30多年的努力，我們取得了“超常規”發展的驕人業績。

一是科技人力資源在世界上排第一位。不管是科技人力資源的現實投入和科技后備人力資源總量，無論是按人頭還是按全時當量計算，我們在世界上都穩居第一位。2014年我國科技人力資源總量達到7512萬人；R&D人員總量達到371萬人；大學本科以上學歷的科技人力資源總量為3170萬人，特別是理工科的大學生數量，在全世界絕對第一。

二是國家財政科技投入在世界上排第二位。我國2015年全社會R&D投入高達14300億元。據聯合國教科文組織2015年11月發布的《2015年科學報告：面向2030》，美國科技投入占世界28%；中國占20%；歐盟占19%；日本占10%。而且預見，中國2019年會超過美國，成為全世界第一。

三是科技產出在世界上名列前茅。2014年SCI收錄中國論文總量26.35萬篇，占世界14.9%，連續6年在全世界排第二位；被引用數量排第四位；國際科技論文占全球比重達到20.2%；2015年國家知識產權局受理發明專利申請110.2萬件，連續5年居世界第一位；2015年共授權發明專利35.9萬件，發明專利申請在全部專利申請中的比例達到39.4%。

四是科研設施總體上是一流的。盡管我們的科研裝備國產化程度比較低，但大型科研設施是世界一流的。譬如：位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡，是世界上口徑最大的單天線射電望遠鏡；位于四川西昌的深地核天體物理實驗室，垂直巖石厚度2400米，實驗空間30萬平方米，是世界最深、國際最大的地下實驗室；位于廣東東莞的散裂中子源將與美、英、日一起構成世界四大脈沖式散裂中子源；位于山東青島的國家深海基地建成并投入使用，其中“蛟龍”號深潛器下潛深度達到7062米，是目前下潛深度最大的載人深潛器。此外，“雪龍號”“科學號”“大洋一號”“向陽紅”系列等30多艘科學考察船是世界上航海能力最強、規模最大的科考船隊。

五是中國的科技事業業績非凡。我們用30多年的時間，走過了西方發達國家300年的科技發展歷程。屠呦呦獲得了2015年度諾貝爾醫學獎。在一些高新技術領域我們從“跟跑”變成了“并行”。譬如：計算機領域的“天河二號”超級計算機在國際上蟬聯“六聯冠”；航天領域的長征系列火箭、神舟系列飛船、天宮系列航天器；海洋探測領域的“海龍”系列、“蛟龍”系列、“潛龍”系列、“海馬”系列深潛裝備；航空領域的國產首架大飛機C919總裝下線；核能領域的“華龍一號”首堆示范工程開工建設。

由此可見，迄今為止，我們的確已是一個名副其實的科技大國，但還遠不是科技強國。首先是近幾十年來，影響人類文明進程的重要科學發現和重大技術發明很少是我們完成的。引力波是美國人檢測到的；石墨烯是英國人發現的；3D打印、云計算、大數據、互聯網、干細胞，我們習慣于跟風模仿，一哄而上，但不是原創者。其次是在眾多高新技術產業領域，我們還不掌握核心技術，甚至缺乏關鍵技術。譬如：現代船舶制造產業。我國是世界第一造船大國，我們的造船產能足已容納全世界的造船訂單，但是我們并不掌握船舶基本設計、船舶電子、船舶動力等關鍵技術。我們主體上是以“焊鋼板”為主的船舶總裝，結果帶來的是大量的原材料消耗、勞動力消耗和環境污染。三是裝備短板。從國防軍工裝備、科研調查探測裝備，到產業工程裝備，還嚴重依賴進口，特別是特定環境領域、大型成套裝備國產化程度非常低，形成了從“工具”層面就受制于人的尷尬局面，而且靠進口裝備，往往是“一次購買，終生依賴”。

因此，如何實現從科技大國到科技強國的宏偉跨越；如何從“量”的積累轉向“質”的飛躍；如何從“點”的突破變成“面”的提升；如何從模仿跟跑到并行領跑成為全國科技界必須深入思考而又迫在眉睫的重大命題。歸根結底一句話，突破口在顛覆性創新！

顛覆性創新的潮頭

已經暗流涌動

回顧世界科技革命的歷史，往往是經過長期的科學積累之后，一些離經叛道的學術思想，一批離奇古怪的科學發現，一堆難以置信的技術發明在緩慢發展中突然浮出水面，成為科技革命的“先頭部隊”。今天，不斷涌現的一些超出想象、挑戰常規的科學發現和技術發明，使我們有理由相信，在世界范圍內，顛覆性創新的潮頭已經形成，隨之而來的將是新一輪科技革命的滾滾大潮。

1.引力波 2015年9月14日，位于美國路易斯安那州與華盛頓州的兩個探測器以7毫秒的時間差先后捕捉到了引力波。分析證明，探測到的信號是由兩個巨大黑洞合并而產生的引力波。兩個黑洞合并前的質量分別相當于36個和29個太陽質量，合并后的總質量為62個太陽質量，3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內釋放，其峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量要高出約50倍。

于是引力波作為一種“時空漣漪”“宇宙呢喃”，如同“一石擊破水中天”，迅速在全世界引起空前的反響。首先是對傳統波動理論的顛覆性“認識”。人們要問：引力波是一種什么波？它如何以聲波的頻率、光波的速度、電磁波的穿透方式，穿過茫茫太空的各種時空介質，歷時13億年順利到達地球？其次是它開啟了一個觀測宇宙的新窗口。幾百年來，天文觀測主要靠電磁光譜的測量，射電、光學、紅外、X射線等天文觀測手段均是在收集光，靠“看”來觀測宇宙。而引力波的發現則將從“聽”這一完全不同的角度進行天文探測。所以，它標志著一個天文學新時代的開端，意味著科學家抓住了揭開宇宙奧秘的“鑰匙”，必將引發新的天文學革命。

2.宇宙大爆炸 大約在150億年前，宇宙所有的物質都高度密集在一點，有著極高的溫度，因而發生了巨大的爆炸。大爆炸之后，物質開始向外迅速膨脹，就形成了今天的宇宙。這一模型得到了當今科學觀測的支持，最直接的證據來自對遙遠星系的研究和微波背景輻射。

1929年，美國天文學家哈勃提出星系的紅移量與星系間的距離成正比，并推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。1964年，美國貝爾公司的彭齊亞斯和威爾遜，在調試發射天線時，出乎意料地接收到一種干擾噪聲，而且不同方向上強度一致，歷時數月而無變化。這種噪聲的波長對應于3.5K的黑體輻射電磁波，故稱之為宇宙微波背景輻射。兩人于1978年獲得了諾貝爾物理學獎。但是宇宙大爆炸理論否定了宇宙能量守恒、質量守恒定律。自然界本來“物質不滅”，而大爆炸從“零”開始，完全是“無中生有”。上下四方謂之“宇”，古往今來謂之“宙”，浩淼時空，本無邊無緣、無始無終，現在突然有了起點，那“零”之前是什么？由此引起的對暗物質、暗能量、反物質的探測將徹底改變人類的宇宙觀。

3.大型哺乳動物克隆 在生命科學領域，從來沒有人相信大型哺乳動物能夠通過無性繁殖來傳宗接代，可“克隆羊”的誕生，翻開了生命科學嶄新的一頁。1997年2月27日，《自然》雜志公布了伍爾莫特等人的研究成果。經過247次失敗之后，他們克隆出一只基因結構與供體完全相同的小羊。它的出現，在理論上證明了，分化了的動物細胞核具有全能性；在實踐上證明了，利用體細胞進行動物克隆的技術是可行的。利用同樣方法，人完全可以被復制。因此“多利”的誕生在世界各國科學界、管理界乃至宗教界引起了強烈反響。克隆技術的重要理論和實用價值促使科學家加快了研究步伐，必將帶來生命科學領域的革命性變化。

4.再生醫學 誘導多能干細胞過程可以將人體內的普通細胞“逆轉”回到早期胚胎發育狀態，從而重新獲得分化成為體內絕大多數細胞的能力。這就從發育學角度實現了“返老還童”。它從理論到方法徹底顛覆了傳統的遺傳學，并開始逐步應用于疾病治療。

2010年，英國倫敦兒童醫院成功使用一位10歲兒童患者的干細胞重新培育出了氣管。2013年，英國倫敦大學幫助一名因皮膚癌割除鼻子的56歲男子重新長出了一個鼻子。2014年，日本理化研究所利用誘導多潛能干細胞制成視網膜細胞，并成功地移植到一名患眼疾的婦女眼中。2014年，中國學者僅用4個小分子化合物組合對體細胞進行處理就成功地逆轉其“發育時鐘”，實現細胞在結構上的“返老還童”。2015年，韓國研究人員利用取自兩個男性身上的皮膚細胞制造出了胚胎干細胞系。2016年，中國科學家首次實現小鼠胚胎干細胞體外分化并獲得具有功能的精子細胞，并成功地用其繁衍出老鼠后代。

5.熱液生物群落 我們對生物的認識，習慣于“萬物生長靠太陽”，但在水深4000多米的深海洋底，在高壓、高熱、高黑、高毒的“四高”環境中居然有大量海洋生命群落存在。海洋調查證明，在高溫熱液噴口周圍，生存著茂盛的熱液生物群，主要有細菌、古菌、管狀蠕蟲、蛤類、貽貝類；還有管水母類、腕足動物、腸鰓動物、海蛇尾類及魚類、蝦類和蟹類等。往往是外貌似曾相識，但細看迥然不同。于是一大堆超出人們想象的問題產生了。他們是從哪里來的？他們吃什么、靠什么活著？他們怎么新陳代謝和傳宗接代？

由于海底熱液環境與地球剛剛誕生時的環境非常相似，所以海洋熱液生物的研究將為生命起源提供重要依據。海底熱液生物的發現改變了人們對生命過程的認識，科學家大膽推測海底熱液系統可能是原始生命的起源地。因此被認為是20世紀生物學和地球科學領域的最重大發現之一。

6.準晶體 自然界的物質有著固定的晶格結構規律，最大的特點就是存在可重復的對稱軸和對稱面，由此產生了晶體的各種特性。但“準晶體”的發現，打破了原子結構必須具有“重復性”這一黃金法則。

1982年，以色列科學家發現了“準晶體”，其原子結構不具備可重復性。隨后，在實驗室中制造出了準晶體。2009年，意大利科學家在俄羅斯東部哈泰爾卡湖發現了天然準晶體。礦物分析表明，“準晶體”結構能天然形成，而且也能在自然環境下保持穩定。準晶體的發現，是晶體礦物學研究中的一次“顛覆性”突破。它的發現者也因此獲得2011年諾貝爾化學獎。

7.量子通訊 1993年，美國科學家依據量子糾纏理論，提出了量子通信的概念。經過20多年的發展，量子通信已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。

量子通信利用量子糾纏效應進行信息傳遞，量子通信最大的特點是安全性和高效性。安全性體現在兩個方面：一是量子加密的密鑰是隨機的，即使被截獲，也無法破解信息；二是分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之變化，得到的信息并非原有信息。量子通信的高效性體現在1次傳輸相當于經典通信方式的128次。因此，量子通訊從理論到技術將徹底顛覆現行的信號傳輸方式和通訊模式。

8.石墨烯 2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，兩人也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體；是當今宇宙中已發現的最薄的物質，具有高表面積特性，每克石墨烯的表面積達2630平方米；也是已知最高強度的物質，機械強度大約為1100 Gpa，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍；同時它還具有其他材料無法比擬的導熱性和導電性，能夠承載的電流強度比現有的銅材料高6個數量級。此外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。它又非常致密，即使是最小的氣體原子也無法穿透。

作為目前發現的厚度最小、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱之為“新材料之王”。科學家預言，它將“徹底改變21世紀”，可能會掀起一場席卷全球的顛覆性技術革命。