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陈晓剑 钟琪:在创新范式改变中寻找没有天花板的黄金学科

2019-12-11 中国科学报
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爱乐透彩票  人类历史上,有三次颠覆性的科学革命将人类文明引领到了新的历史高度,第一次是以牛顿为代表的一大批科学家推动建立的近代自然科学体系,第二次是以能量守恒与转化定律、细胞学说和进化论三大发现为代表的实验科学体系,第三次是以爱因斯坦相对论为代表的科学观重大变革。

  我们不难发现,这三次科学革命的产生都和创新范式的改变密不可分。科技创新范式从通过抽象的思考、推理得出结论的思辨开始,跨越了以记录和描述自然现象为主的实验观测、利用模型归纳总结过去记录现象的理论推演,到对复杂现象进行模拟进而推演出越来越多复杂现象的计算仿真,现已开始步入探索新范式的阶段。

  新的创新范式的改变可能伴随着四个典型特征:

  第一是基础性,它的底层逻辑是科学问题的发现和探索,是颠覆性思想和原理的产生。日本著名物理学家寺田寅彦曾指出:“无论任何时代,阻碍科学进步的因素并非来自缺少知识的外行人,而是来自科学家自身对科学的使命和本质认识不足。因此我辈当深刻反省才能进步。”

  基础研究是通往创新型强国的直通车。比如17世纪的英国,涌现出牛顿、胡克、波义耳等一大批科学家,先后创造了牛顿力学、电磁场理论、进化论等一批科学理论,推动英国成为当时的世界科技中心。早在二战时期,美国国家自然科学基金之父万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)在他牵头起草的《科学:永无止境的前沿》研究报告中明确将基础研究置于创新链的源头位置,推动形成了“基础研究—应用研究—技术开发—商业应用”的线性模式,对全球基础研究发展产生了深远影响,也成为了科技与产业创新的全链条。

  第二是交叉性,学科交叉是创新思想的主要来源或方式,一些跨学科和交叉领域可能有更多的意外之喜,一旦被应用到其他领域,就会引起人类生活和社会结构的巨大变革。交叉学科以现实中重要实践问题解决为出发点,融合了不同学科的范式,构建了以“问题解决”研究为中心的研究模式,推动了以往被专业学科所忽视的领域研究。比如20世纪的标志性新兴研究学科认知科学,其主要研究的是“在认识过程中信息是如何传递的”,就是以哲学、心理学、语言学、人类学、计算机科学和神经科学六大学科为基础构成的交叉学科群。

  科学上新理论、新发明的产生,新工程技术的出现,往往都是在学科的边缘或交叉点上。当不同学科、理论之间相互交叉,同时一种新技术达到成熟的时候,就有可能出现理论上的突破和技术上的创新。对20世纪的466位诺贝尔奖科学家进行统计,其中超过40%的科学家具有交叉学科背景,特别是20世纪最后25年,接近50%的获奖者具有交叉学科背景。

  第三是数据性,数据是科学研究的支撑,大数据和人工智能就是能分析科学态势、把握技术走向的新科学方法,擅长在纷繁的数据中发现、建立背后的关联。人类社会也正从“马力时代”“电力时代”,演进到“算力时代”。当前,我们通常只有效使用了不到20%的数据(甚至更少),如果剩余80%数据的价值激发起来,世界会变得怎么样呢?在2011年好莱坞的电影《永无止境》中,落魄的作家库珀,服用了一种可以迅速提升智力的神奇蓝色药物。服药后,他能将世界上已经存在的海量数据(包括公司财报、电视、几十年前的报纸、互联网、小道消息等)挖掘出来、串联起来,得到普通大众对某种股票的感情倾向,通过海量信息的挖掘、分析,使一切内幕都不是内幕,使一切趋势都在眼前,在10天内他就赢得了200万美元,神奇的表现让身边的职业投资者目瞪口呆。库珀的智力提升就是通过对数据的整合理解、感知交互、学习认知,最终实现有效利用。

爱乐透彩票  数据资源正在变成城市可持续发展的一个决定性资源。能否成为科技革命的策源地,一个衡量标准就是看谁拥有最好的大数据基础设施,能不能生产和占有最多、最全的数据;是否有最高、最快、最好的数据分析能力和计算能力;能不能最有效地利用与开发数据的价值算法加应用服务。

爱乐透彩票  第四是生态性,科技创新越来越成为破除生态危机、产生生态红利的关键,它来自于人类、自然与科技的智慧融合和协同共生,能引发新技术、新产业、新经济的发展浪潮。比如,ITER计划(国际热核聚变实验堆)是为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步,吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与,覆盖的人口接近全球一半,投资上百亿美元。

爱乐透彩票  当前,新一轮科技革命与产业变革正在孕育,世界科技创新版图趋于多极化,以往的单一科技中心模式可能会改变,全球科技创新将呈现出一种多中心的生态模式。在科技发展呈现渗透性、扩散性、颠覆性和不确定性的趋势过程中,加强对科技创新范式变革的研判是十分重要的。科学研究是在“范式转换”中不断向前迈进的,每一次科技创新范式的突破都呈现出巨大的能量和优势,不断颠覆人类的认知方式和生活方式,不断刷新我们解释世界和认识事物的观念和工具。例如,上世纪初,上海街头随处可见黄包车,但却很难见到一辆汽车;现在汽车川流不息,已经难以见到一辆黄包车了;可以预测,在未来的10~15年内,人们出行交通工具将都是自动驾驶汽车。

  从科技发展规律看,二战后科技创新模式逐渐从传统的欧洲式“自由探索”模式过渡到国家为主体的“大科学工程”模式与市场为主体的“需求牵引”模式相结合的发展阶段。美国世界科技中心的形成就源于其顺应了科技创新范式变革,构建了市场经济下的网络型举国体制。20世纪中叶以来,科学技术发展中呈现出一个新的态势,即许多科技前沿研究领域的重大突破都离不开大科学装置。美国建设了世界上最先进、最大规模的大科学装置群,总数已超过50个,它们是美国成为世界科技中心的始发性动力源泉。对100多年来诺贝尔物理学奖的成果进行统计,可以发现,在1950年以前,大概只有1项成果是来自于大科学装置的;到1970年以后,如天文望远镜、科学卫星以及加速器等等,其中有超过40%是源于大科学装置;而从上世纪90年代以来,这个比例进一步升到48%。可以看出,重大科学技术突破越来越需要学科的交叉融合,越来越依赖大型科学仪器、跨学科团队的合作。

  研究范式的改变必然带来创新的突破,美国科学家万尼瓦尔·布什说过:“在抵御疾病的战争中,进展所借重的发现都是源自医学中相隔甚远,甚至是意想不到的领域以及其他的基础科学。” 过去20多年,基于互联网技术的虚拟世界创新引领着科技创业的浪潮。随着半导体产业的蓬勃发展,苹果、微软、谷歌、脸书等互联网公司相继诞生,创新互联网公司在硅谷遍地开花,硅谷也由此成为全球“创新”的代名词。但在今天,我们也可以看到,互联网技术及公司的发展开始出现拐点。从数学上来说,拐点就意味着速度和方向发生了变化。当前的科技创新不再局限于互联网领域,科技创新呈现两极发展态势——极大(深海、深地、深空等)、极小(微纳科技、量子科技、分子生物等),材料科学、大数据与人工智能、生命科学、绿色能源等已经成为没有天花板的黄金学科。由科学家所主导的跨学科交叉融合就体现了创新范式的突破,相信这样的由科学驱动的黄金学科和技术应用一定会走得更远!

爱乐透彩票  (陈晓剑、钟琪,作者单位:中国科学技术大学长三角科技战略前沿研究中心)

打印 责任编辑:侯茜

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