首都科学讲堂第645期《创新是“金”,“毕”须有你》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-06-01

  2020年5月30日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国工程院院士、清华大学化工系教授金涌和清华大学化学系博士毕啸天,为大家带来主题为《创新是“金”,“毕”须有你——与金涌院士、毕啸天探讨科学创新精神的培育之道》的精彩讲座。

  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

全国科技工作者日”之际谈创新精神:创新是金

  又是一年的“5·30全国科技工作者日”,今年的主题是“科技为民,奋斗有我”。正是在全国9100万科技工作者的共同努力下,我国科技创新活力泉涌,朝着世界科技高峰的目标奋勇前进。创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,也是中华民族最深沉的民族禀赋。在激烈的国际竞争中,唯创新者进,唯创新者强,唯创新者胜。到底什么是创新?如何激励创新?创新思维如何养成?创新精神像金子一般珍贵,体现在科学家们的每一次灵感迸发和奋力攻关。

  经过30年的高速发展,我国的经济位于世界第二位。过去,我国的发展主要依靠大量使用资源、消耗能源、大量建厂来实现,这种发展的模式虽然使我们有了非常大的进步,但是它不可持续。本世纪初,中央领导提出来,创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,也是中华民族最深沉的民族禀赋。

  未来国际竞争主要是经济实力、国防实力、民族凝聚力、综合国力的竞争,而这些最终取决于科技水平、人才素质、创新能力的竞争。而人才素质主要表现在创新能力上,因此科技进步是社会发展的内生要素,技术转移会遇到多种扼制。如今来看,30年来,我国经济高速发展的粗放型模式已经走到尽头,而科学发展观在于科技拉动经济,在于通过创新实现可持续发展。

第一讲 创新不能依靠模仿

  国力竞争最终不是决定于财富,一流技术是市场换不来的。通过引资、让出市场,会失掉自有技术和品牌,成为依附性国家。外方利用中国企业原有的生产线和劳动力大规模生产自有品牌,利用合资企业的资金为自有品牌做广告宣传。因此自20世纪90年代初,许多耳熟能详的中国品牌逐渐远离人们的视野,如日用品种的活力28、白猫等。

  一流技术买不来。外国不会把第一流的技术卖给潜在的竞争者。例如,从美国UOP公司引进五条十二烷基苯生产线,全部是用剧毒的氢氟酸作催化剂,是美国已淘汰的技术。1980年代我国布置下120条彩色电视生产线,发现没有买到彩管技术。而引进的彩管生产线,发现电子枪关键技术没有生产特许权。引进电子枪生产线,发现电视已平板液晶化、等离子化了。这种情况并不是偶然现象,而是美国的国策。2005年,美国科学院就向美国总统和国会提出了题为《站在风暴之上》的报告。报告里提到,随着高级知识的全球扩散及低成本劳动力的出现,美国在市场、科学和技术方面的优势开始受到侵蚀;不强力巩固美国的竞争力基础,将很快失去自己的卓越地位;应通过发展源于天才科学家和工程师的新工艺,为全美公民创造全新的高质量的工作。

  发达国家正在通过技术垄断、知识产权、环境门槛,来保护其优势,科技竞争、人才竞争是国家间竞争的主要形式。2010年美国科学院、工程院、医学科学院,院长联署文件,再次强调这些观点,并称已经是迎击强烈飓风的时候了。世界金融风暴以来,美国制定了一系列政策,依靠自身的科技优势,重新夺回高端制造业为主的实体经济。

  一流技术也模仿不来。因为技术产权保护,产品更新速度、贸易和环保壁垒,没有给学习者留下空间和时间。我国是DVD世界第一生产大国,每台DVD要向3C联盟、6C联盟交纳专利费,分别为9美元和6美元,国内每台利润要少于5美元。因此只有依靠自主创新,才是唯一的科学发展模式。

  创新不一定要昂贵的设备。比如2010年获得诺贝尔奖的石墨烯的发现,就是获奖者用胶带从石墨上粘剥出薄片,再用胶带反复粘贴,剥离出20-30层。获奖者在氮化硅基板上,用原子力显微镜观察到单层石墨薄片的完美六边形网格,厚度为三百万分之一毫米。石墨烯比钻石更坚硬,超导电又如玻璃透明,可用于制作触摸屏等超强、超轻复合材料。因此不难看出,创新不一定要昂贵的设备,但要有创新思维。

  自然科学创新通常是相互包容,并行不悖,分别界定。而工程科学创新非常残酷,经常出现颠覆和替代。照相胶片风靡一时,柯达、富士、乐凯主宰全球影像,甚至帮助了抽象派画家崛起,写实派画家受到质疑。2000年光学胶卷产量达到顶峰,富士企业利润为1500亿日元,然而数码成像技术兴起后,2011年柯达利润为零,2012年1月柯达申请破产。2013年富士转型成功,发展液晶、制药产业,利润恢复到1450亿日元。柯达曾经占有数码相机专利1000项,希望通过专利保护,封存、垄断数码相机。工程创新的主要思想就是越简单越好,要抓住精髓,而且要有市场经验,要做到恰到好处。

第二讲 创新与人的思维过程密切相关

  创新是一个智力劳动,而且跟人的思维过程密切相关。思维过程有不同的思维方法,在希腊时代,亚里士多德就提出了思维模式是演绎法,从形式逻辑“三段论法”演绎,给知识以普遍的理论基础。如:大前提(金属导电)、小前提(铁是金属)、结论(铁能导电)。

  杨振宁先生到清华听清华老师讲课后,他认为清华老师的学识很高,能把所有课的知识详细总结。这类似于给学生做了一个金丝的“笼子”,将学生请进“笼”后,学生跟着老师,学生无论想出什么怪问题,老师都早有准备,并会及时给出答案。杨振宁先生认为这样的方法不太好,因为这样的方法对于聪明的学生比较残忍,禁锢了他们的思维模式。因此杨振宁先生提到了培根的归纳法,即科学研究应从观察和实践出发逐级登攀,从特殊事例上升到较低公理,多级归纳,最后上升到普遍公理。

  人们熟悉的爱因斯坦相对论,既不是演绎、推论出来的,也不是经验总结出来的,而是直觉法,即从特殊到一般是直觉性的,从一般到特殊是逻辑性的。因此说,单纯推演发现不了重大科学原理。要将演绎、归纳、直觉综合运用,才能实现原创性科学发现。

直觉或悟性是一种非理性逻辑思辨,是从瞬间感悟“跳跃”到事物未知部分的能力。高斯19岁解出了2000年前的难题,用规、尺作面做成了正十七边形。

第三讲 创造力:知识不等同于创造

  什么叫创造力?创造能力是艺术的、智力的发明才能。创造力是根据一定目的、任务,在脑中创造出新技术、新产品、新形象,并使之实现的过程。心理学家雷夫达尔说:“创造力是人产生任何一种形式的思维结果的能力,这些结果是新颖的,是产生它们的人事先所未能预料的。”

  怎样做一个富于创造力的人?创造有四个要素:创造者的人格特质、创造者的心理历程、创造者的作品、个人与环境的交互作用。创造力人人皆有,“创造性”行为却并非人人都具备。创造力须有充实的知识与经验背景,但知识不等同于创造。创造需要天才,但智力最高不等于有创造力。一般“天才”“高能力”通常表现为数学(定量的)分析能力、空间判断想象能力、逻辑分析能力和语言能力等基础素质。创造发明不等同于高知识、高智力,是多因素的综合,可能发端于微末之处。最简单的可能是最好的,比如光学玻璃透镜制造专利。在新式武器的研发过程中,各国都遇到各种难以迅速攻克的难题,从而影响了战斗力的发挥。比如俄国在生产光学玻璃时,就遇到了大麻烦——玻璃中产生的气泡无法去除。战争年代,光学玻璃是一种非常重要的战略物资,照相机、望远镜、放大镜、显微镜、潜望镜、测量器的镜头都离不开它。当时的俄国并没有掌握制造光学玻璃的核心技术,只有英、法、德三国掌握了光学玻璃生产技术,他们垄断了市场。经过盟国政府间的交涉,俄国花费重金向英国购买光学玻璃透镜制造专利,购得的专利说明书上只有一句话:“在反应过程中不停地搅拌,气泡即可除尽。”

  对此,俄国专家们面面相觑,哭笑不得。不过,搅拌的确是生产光学玻璃的关键技术,它可使原料混合均匀,气泡从玻璃液中不断溢出,使玻璃质地均匀、晶莹透明。再比如美国航天局用十年的时间,数十亿美元开发了一种在无重力条件下不漏水的太空笔,而苏联却用铅笔就解决了问题。

第四讲 想象力:科学创新的核心要素

  创造发明的一个重要特质就是想象力,想象力是科学的、创新的核心要素。爱因斯坦说:“想象比知识更重要。”这是因为知识是有限的,而想象的空间是无限的。想象大致有四种:臆测性想象指未曾实际经历,根据片断资料,推断而创造构想;创造性想象是指根据确定目标,“无”中生“有”;构造性想象指根据多要素,如用途、机能、效率、精密程度综合而成;替代性想象指欲改良已有事物的不合理、不方便之处。其中,地球直径的测算就属于臆测性想象。公元前三世纪,亚历山大图书馆馆长埃拉托色尼,利用在阿斯旺小镇日光直射地面的同一时间,测亚历山大市阳光倾角,计算出地球直径。

  创造性想象的核心就是“无”中生“有”。比如可降解塑料的制造,采用在普通塑料(PP、PE)成型时,大量加入淀粉、木屑等,生成可解体材料,废弃后即分解成小块。采用发酵法生产乳酸,再用化学法聚合为乳酸塑料。采用在细胞内合成聚羟基丁酸酯(PHB)塑料,用于人造器官。

  想象力还表现在把两个本无关的成熟体系相连接、创造出新体系。美国拍了一个电影叫《小鹿斑比》,它实际上是把迪士尼的故事和中国的写意画派结合起来,制作成了一个非常吸引人的动画片。

  想象力是种抽象思维能力,是一个非常重要的才能。

  物理学家就像一个小孩手里拿了一块怀表,看看时针、分针、秒针在动,听听滴滴答答的响声,可是他们不会打开它看看里面到底是什么结构,他们只能想象里面的结构。现在物理学家对于微观世界——基本粒子(电子、光子、中微子)开展研究,可究竟物质能分到多小,最小的单位是什么?

  现在比较多的科学家、物理学家认为,物质分到最小的时候是一个弦,弦须在十维度中振动,除了三维空间、一维时间外,另外六维隐于极小的“致密空间”尚不能被感知。

  联想行为是自某种记忆、印象而引发的另一种观念或心像的产生,包括:对分类上近似之事物的类似联想,对功能、特性、时空等的延伸联想、对立联想、反向思维的逆反联想,以及由因果关系引发的因果联想等。

举个逆反联想的例子,比如隧道二极管的发明。日本新力公司由江崎博士主持开发新一代晶体管,以提高锗元素的纯度为目标,已达到99.99999999%,再提纯难度太大,成功无望。新毕业生黑田由里子,提出反向思维,向纯锗内掺杂锗PN结,当掺杂量加大到原含量的1000倍时,得到特殊性能的隧道二极管(负阻特性)获得成功。

第五讲 观察力:创造的必备条件

  一个富于创造能力的人必须有非常敏锐的观察力,能够捕捉各种自然现象进行思考。生物学家弗莱明(A. Fleming)注意到窗外葡萄球菌(致命病菌)培养皿被污染,出现被分解的透明斑块。能抑制葡萄球菌生长的青霉菌代谢产物(青霉素)是楼上一位学者研究青霉菌时飘落下来的。

  此外,耐受力在创新中也不可或缺。中国学者张益唐在逆境中也能够坚持奋斗,最终在创新上有了突破。他从北京大学数学系硕士毕业以后,到美国去读博士,和导师相处得不太好,毕业以后导师甚至不给他写推荐信。本来一个数学家就很难找工作,再加上没有老师的推荐信,张益唐就被困在了美国,在餐馆里端了十几年的盘子。直到有一次,他端盘子的时候看见一个已经是大学教授的师弟,才把他带回美国的一个大学里做访问学者。十年以后,经历了艰难困苦,张益唐又回到了数学界,一年以后他就发表了关于“孪生素数猜想”的论文,“孪生素数猜想”在世界数学界里,是跟“哥德巴赫猜想”齐名的一个猜想。由此看来,一个人在历经困苦、折磨的情况下也不要放弃,要坚持自己的信念,最终一定能有收获。

  创新是一个年轻人报效祖国,为国家长远发展需要做的。创新无处不在,可大,可小,每个人都要培养自己的创新能力。创造能力培养的基础还是在于对已有知识的系统、全面、深刻的掌握,这样才能真正站在巨人的肩上有所发现。创造出于思索,成功出于勤奋。

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