關于科學研究的三個層次

很多科學研究可以從儀器、材料和發現3個方面去理解。儀器是研究工具，材料是研究對象，發現是研究目標。

這里的“儀器”可以是實驗工具、理論工具，也可以是實驗方法或理論方法；材料”可以是生命科學中的生命體，也可以是物質科學中的非生命體。多數科學研究要寄托在這些材料基礎之上；“發現”主要指科學發現，可以是理論研究的發現，也可以是實驗研究的發現。

與此同時，科學研究可以從3個層次——發明、拓展和應用去理解。發明/發現階段的突破為科學界帶來新的理論、視角和工具，拓展階段的研究將這些新發現轉化為實際解決方案，而應用階段的研究則進一步深化和擴展這些發現的應用范圍和影響力，可用于促進經濟社會發展、提高人民的幸福生活水平。這3個層次的關系可更直觀地表述為：“發明”解決的是“從0到1”的問題；“拓展”解決的是“從1到10”的問題；“應用”解決的是“從10到100”的問題。每個層次的研究都具有獨特的重要意義和作用。

“儀器、材料、發現”均可切分出“發明、拓展、應用”3個層次。在“儀器”這一領域，以掃描隧道顯微鏡（STM）為例。掃描隧道顯微鏡是在1981年由德國科學家格爾德·賓寧和瑞士科學家海因里希·羅雷爾發明的。掃描隧道顯微鏡使人類可以實現原子分辨測量，這對于表面物理研究等領域的推動作用是極大的，是一個非常偉大的發明。隨后，在20世紀90年代，得益于納米科學的興起，掃描隧道顯微鏡作為原子尺度的科學利器，出現了多個方面的拓展：其中一個是來自IBM公司（International Business Machines Corporation）實驗室的唐·艾格勒所做的原子操縱，另一個是華人科學家何文程所實現的化學分辨。其他方面的技術拓展還有時間分辨/超高真空/高壓STM、近場光學顯微鏡、低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，這些非常強大的表征工具都是因掃描隧道顯微鏡的發明而逐漸發展起來的。

2013年，我們團隊首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應，在美國物理學家霍爾于1881年發現反常霍爾效應132年后，首次實現了反常霍爾效應的量子化。從科學發現的角度來說，這是物理學領域的一項重要科學發現。量子反常霍爾效應的實驗發現兼備了儀器的拓展、新材料的制備與新效應的發現。我們開發了超高真空分子束外延—掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜聯合系統，制備了拓撲絕緣體，發現了量子反常霍爾效應，完整展現了科學研究在3個層次演變的全貌。這也表明，科學研究實際上是一個相互聯系、相互促進的復雜過程。