2.3　原始创新根植于基础科学研究

基础科学研究对推动创新的重要作用

基础科学是科技创新的源头，是科技创新的关键动力。一方面基础科学研究的重大成果是一个民族对世界文明的贡献，可以使先进国家在国际竞争中取得更多话语权。另一方面，当下我国国民经济发展面临转型，我们已经从“跟跑者”转变为“并跑者”，而且正在向“领跑者”前进，一些传统科技强国把我们视为主要竞争对手，全面进行技术封锁，使我们进入“无法科技引进、也不想科技引进”的阶段，各行业都需要突破关键技术，解决“卡脖子”问题，这些因素都使得基础研究重要性愈加凸显。

基础科学研究与原始技术创新的关系，从历史上也可以看得很清楚。早在20世纪之初就有人针对中国发表过评论。美国物理学会第一任会长亨利·罗兰曾写道：“如果停止科学进步，仅关注技术开发，那么我们很快就会堕落，会沦为与中国人一样的民族，他们接连好几代都没进步，是因为只满足于科技应用，从不探寻其深层原因。中国人早知火药应用，如能用正确方法探寻其功能的原因，就可发展出化学，甚至物理学……（但都没有）以致我们现在把这人口众多的古老民族当作野蛮民族。如果不深入探索，就像捡起富人掉落的面包屑，得到更多的面包屑就自认比富人更富有，而忘却富人拥有面包。”

这些刻薄的批评应引起我们的警惕与深思。西方国家最傲视全球的是，作为古希腊罗马文明的继承者，在近300多年来拥有大量自然科学的发现及与之相关的、大量的技术发明，对人类文明的贡献超越东方和阿拉伯世界。这一切都源于西方冲破了中世纪宗教的束缚后，对基础科学研究的重视。

西方文明发展的脉络是从基督神学信仰出发，本意是通过发展自然学科知识来更好地颂扬上帝的功德。但在实际发展过程中，“信仰”和“理性”不断相互渗透，又不断冲突，终于导致文艺复兴运动的爆发。科学击碎了宗教的水晶球，实现了科学革命和工业文明。

这一过程主要继承了希腊六大科学思维方法，即：

（1）从假定进行推理；

（2）通过实验去证实推理或证伪；

（3）建立假说，演绎出规律、原理；

（4）对复杂现象进行系统分类，如植物学等；

（5）从概率分析到统计分析方法的建立；

（6）时间推演法，从现实发现推演历史，进而推论未来。

这些科学思维研究方法成就了西方文明，也成为当今科学研究方法的共识。

对基础研究目标的定义为：

（1）联合国教科文组织——主要是为获得关于现象和可观察的事实的基本原理的新知识而进行的实验性或理论性工作，不以任何专门或特定的应用或使用为目的。

——《科学技术活动统计手册》

（2）美国国家科学基金（NSF）——增加新的科学知识的活动，没有特定的、直接的商业目的，但不排除会在当前或其他潜在领域具有商业价值。

——《1993年报告》

基础研究需要长期积累，成绩的取得不可能一蹴而就，投入也不一定能获得预期的成果，但由于科技的相关性，这些投入通常都可能有连带效应。如美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）在未能探测到引力波之前，它在减震技术、激光技术和极低噪声技术上都带来了收益。

2018年，中国国务院发布《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，提出加大基础研究和应用基础研究的支持力度，优化投入结构，研究多元化投入机制，引导鼓励地方、企业和社会力量一起增加基础研究投入。基础研究是科学技术的最前沿，是人类智慧的突出显现，研究之路充满艰难险阻。不少重大原始创新，需要科技人员坐“冷板凳”，也需要领导部门稳定的支持。要将“国际压力”转化为“创新动力”，把中国真正建设成为创新型国家，没有这些条件，持续的基础研究都是很困难的。

日本在20世纪时也曾过多看重技术和经济发展，对基础科学研究不甚重视，甚至到了被称为“经济动物”的地步。但20世纪末期，美国收紧了对它的技术转移控制，日本经济陷入缓进期，从而迫使它开始认识到基础研究的重要性。众所周知，日本曾在21世纪之初（2001年3月）明确提出“50年内要培养30名诺贝尔奖得主”的宏伟计划，并以此作为促进基础研究的明显成果。这一目标的提出曾引起了强烈争议，因为基础研究具有很大的不确定性。但到2019年，距离目标提出的时间仅仅过去了2/5，日本就产生了20位自然科学类的诺贝尔奖得主（图2-5）。这说明有了一定经济基础的条件，又从政策上真正地认识到基础研究的重要性，基础研究是可以得到巨大推动和飞跃的。

原始创新与颠覆性技术

科学社会学家默顿提出，原创性是科学的最高价值。科学，作为一种社会行为，将原创性视为最顶级成就。他将原创性纳入人类文明的五种精神气质之中，即：公有主义、普遍主义、无偏私性、原创性和怀疑主义。正是通过原创性的科研成果，人类的知识才得以不断增长。

原始创新（original innovation）被进一步定义为，其科研成果应是做出新的实证发现，或发现新材料以及对这些新发现或新材料做出新解释、解决新问题或复杂难题；开发出创新性的研究方法、方法论和分析仪器设备；拓展出富有想象力和创造性的研究视野，提出新论证或新表述、新解释，或新洞见；获得或采集到新数据，或对社会政策实践提出新理论、新分析或新表述。

原创性科研成果的价值大小，在于它的认知对自然或对生产过程的“首发性”“严谨性”“社会影响力”，以及对改变旧认知所带来的贡献，所以它是对人类文明进步作出贡献的重要体现。

哈佛商学院克里斯坦森教授首先提出“颠覆性技术”（overturn technique）一词，用以指打破传统技术的思维和发展路线，开辟新市场，最终取代已有技术，形成新的价值体系的技术。

人类的计算工具就历经过数次颠覆性创新过程，从古代利用棒状算筹，发展到今天超级计算机的出现，并由此进入了大数据时代，不断更新换代的计算工具影响到人类社会运行的方方面面，着实令人感叹。

元代后期，我国计算工具发展出现第一次重大改革，算盘代替了算筹，它轻巧灵活，应用极为广泛，先后流传到日本、朝鲜和东南亚各国。1621年英国数学家威廉·奥特雷德发明了对数刻度的计算尺，可以进行加、减、乘、除、乘方、开方、三角函数、指数的运算，十分方便。这是计算工具的第二次飞跃创新，直到20世纪中叶仍被广泛使用，但它的计算精度一般仅为三位有效数字，难以满足大工程的需要。

17世纪，欧洲出现了利用齿轮原理的计算工具。1642年，法国数学家帕斯卡发明的“加法器”，是第一台机械式计算工具。到了1832年，英国数学家查尔斯·巴贝奇成功研制的“差分机”，使机械式计算工具有了突破性进展，计算工具从手动机械进入自动机械时代，并广泛用于商业运算。

下一个突破性创新是电子计算机的出现。1939年美国依阿华州大学约翰·阿塔纳索夫教授提出以电子技术来提高计算机的运算速度。美国宾夕法尼亚大学约翰·莫克利教授于1946年建成了巨型电子管计算机ENIAC，ENIAC共使用了约18,000个电子管、1500个继电器、10,000个电容和70,000个电阻，占地167平方米，重达30吨，从此开创了电子计算机时代。

1959年美国菲尔克公司用晶体管取代电子管，研制成功第1台晶体管通用计算机。晶体管体积小、重量轻、耗电省、速度快、寿命长，使电子计算机和计算机软件技术有了飞速的发展。美国得州仪器公司工程师杰克·基尔比使集成电路芯片产业化，计算机的计算速度越来越快。摩尔定律曾预言集成电路上可容纳的晶体管数量，约每18个月便会增加1倍，计算机的性能也将提升1倍，这一说法正不断变为现实。计算机体积越来越小，处理能力越来越强，可靠性越来越高。如今，IBM公司使芯片上的工艺节点下降到7纳米至5纳米，7纳米的芯片已于2018年量产。我国研发的神威·太湖之光超级计算机运算速度已经达到12.5亿亿次／秒，且纪录仍被不断突破。

2020年6月22日，国际超算大会上发布了第55届全球超算Top500榜单。

第一名为日本“富岳”由富士通公司和日本理化学研究所共同研制，其Linpack值达到415.5PFlops（深点计算千万亿次每秒）,是上届冠军的2.8倍。中国超算“神威·太湖之光”和“天河二号”排名分别为第4、第5位。

从上榜超算系统所特提供的算力，美国114台超算提供的算力是644PFlops，中国是565PFlops，日本是530PFlops，从算力上呈美、中、日“三足鼎立”之势。

21世纪初，计算机面临着又一次颠覆性的变革，即从应用电子技术发展到基于光量子的量子计算机的挑战。量子具有“纠缠态”和“叠加态”，可以大幅提高计算机性能，称为“量子优势”。但量子态的稳定时间较短，难以保证其纠错能力，且要使其发展成熟、投入产业化生产，仍有许多难点需要克服、有大量工作要做。

谷歌公司研究团队于2019年10月23日在英国《自然》杂志上发表论文，称已成功演示了“量子优势”，让量子系统仅花费了200秒就完成了传统超级计算机用几天时间才能完成的任务，量子计算机的产业化应用值得期待。

美国军方将颠覆性技术定义为：“支撑非常规作战和非对称作战能力的技术”，并先后将互联网、隐身技术、全球卫星定位系统、激光武器、高超声速飞行器、无人作战系统等，判断为颠覆性技术。美国安全中心提出增材制造（即3D打印）、自主系统、定向能、赛搏能力、增强／降低人类能力5项改变未来世界游戏规则的技术，即具有颠覆性的技术。

总之，颠覆性技术具有前瞻性、不确定性、突变性、超越性和时效性等特点，也必然是跨学科、跨领域、跨算力的。

从科学家转型为科学社会学家的齐曼提出，所谓原创性，就是给人类知识宝库“添新砖、加新瓦”。比如，发现新的自然现象或规律，提出新的科学问题，探索创新的研究方法，获得新的数据，提出新理论、新解释，或者是以上几种的组合。

颠覆性技术，是一种另辟蹊径，会对已有传统或主流技术及其产业和市场产生全新的颠覆性效果，有可能完全淘汰原技术效果的技术。该技术可能是过去完全没有的，也可能是基于现有技术的跨学科、跨领域的创新应用。

颠覆性技术虽对传统和主流技术有毁灭性的替代，但基本上可基于已有知识实现。它并不一定是有科学原理上的创新，但应在经济成本下降、资源节约、减少能耗，或消除污染、改善生态等方面有大规模的成效。颠覆性技术可以创造出一个新产业，甚至推动一次工业革命。

但颠覆性技术的预测、识别具有挑战性，需要技术研发群体长时间知识和经验的积累、发酵，并在此基础上进行知识提取、观念转换和联想，以及类比推理等。颠覆性技术的预见过程中，可能存在着发明人自己的炒作，也有利益集团或国家层面的战略欺骗，所以具备挑战性。

例如，战国末年时期，农业水利工程可称为颠覆性技术。韩国为了遏阻秦国向东进攻各国，便派遣水利专家郑国（人名）入秦，说服秦王凿渠引水，欲使其消耗大量人力和物力，而无暇顾及向东征伐。秦国自仲山引泾水至瓠口，沿北山向东流经三原，工程浩大。工程即将成功时，秦王知道了这是韩国的计谋，欲杀郑国。郑国辩解道，这工程虽“为韩国延数岁之命”，但为秦国建立了万世之功。后来，水利工程的成功，确使秦国更为富强，郑国本人也被赦免。可见颠覆性技术的诡异性、时效性、不确定性和突变性。

冷战后期，美国提出“星球大战”计划，宣称计划在外太空和地面部署定向能（如激光）武器等。苏联被引诱投入大量人力、物力，以扩充核军备，研究部署新一代战略指挥系统，导致国民经济比例严重失调，加剧了经济衰退，促使矛盾集中爆发，最终以国家解体告终。而美国在多年内，并没有认真施行“星球大战”计划。可见，对颠覆性技术的误判可能具有严重后果。

20世纪，美国前总统布什，以及21世纪初的日本都鼓吹“氢能是终级能源”，希望大力研发氢燃料电池汽车，这一现象值得我们认真思考。许多科学家提出，目前氢气的工业制备、运输和存储都存在许多难题，用煤制氢会产生大量二氧化碳；用天然气制氢，中国又缺少资源；而用光电、风电制氢，其总成本会更高。总之，氢是社会经济所需要的重要化学品，可适度发展，但不是万能的最终绿色能源，要从技术、经济、资源、禀赋诸多方面全方位评估。在中国鼓吹“氢经济”是不切实际的误导，切莫轻易炒作、鼓噪，以免误导公众和官员。

学术交流与争论是科学创新的沃土

重大科学理论往往在交流中产生、在争论中发展、在合作中完善。作为现代物理学的两大基石之一，量子论给我们提供了新的、关于自然界的表述方法和思考方法，揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理、固体物理、半导体物理、核物理、粒子物理等学科奠定了理论基础。它的创立和发展正是各学派诸多学者交流、争论、合作的结果。

量子的发现要从“紫外灾难”说起。1900年，德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时发现，按麦克斯韦电磁波理论计算，黑体光谱紫外部分的能量是无限的，而实际的实验数据却趋向于零，这种经典理论无法解释黑体辐射规律的怪象便是“紫外灾难”。为了解决这一困境，普朗克引入辐射能谱量子概念，首次指出能量是不连续分布的。随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功运用能量的概念，推动了量子理论的发展。

1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出了玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，从而将量子论推上了物理学研究讨论最前沿。1923年，德布罗意提出物质波假说，将波粒二象性运用于电子等之类的粒子束，将量子论发展到一个新高度。1925年至1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961，图2-6，图2-7）率先沿着物质波概念，成功地确立了电子的波动方式，为量子理论找到了一个基本公式，并创建了波动力学。几乎在同一时期，海森堡发表了《关于运动学与力学关系的量子论的重新解释》的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。1925年9月，两位物理学家玻恩和约丹将海森堡的思想发展成系统的矩阵力学理论，狄拉克又改进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。

1926年薛定谔论证了他提出的波动力学和矩阵力学在数学上是完全等价的，由此统一将二者称之为量子力学。

薛定谔的成果在刚提出时，曾遭到海森堡的强烈质疑。1927年7月23日，薛定鄂受德国科学院邀请，在德国科学学会巴伐利亚分会上，做关于波动力学的报告。量子力学的矩阵力学创始者海森堡也到场了。在薛定鄂作报告的时候，海森堡耐着性子静听，一言不发。报告即将结束时，海森堡终于忍耐不住站了起来。他不客气地指出，薛定谔的波动力学不能解释一些基本的物理现象，例如不能解释普朗克的辐射定律，不能解释康普顿效应，甚至连原子的特征谱线的强度都不能给予解释。因为这些都表现出不连续性的量子特征，或者说与量子跃迁的特征有关。在这一连串的攻击之下，会议的主持人，也是海森堡的老对头，哥廷根大学的实验物理学家维恩强令海森堡坐下，还不客气地呵斥他闭嘴。薛定鄂没做任何解释，就此散会了。事后海森堡对他的师兄泡利说，维恩“几乎要把我从屋子里扔出去”。

事实上，薛定谔的波动方程由于比海森堡的矩阵更易理解，反而成为量子力学的基本方程。量子力学的形成是在新的发现，并否定了原有假设，又建立新的假说，和再次做出新的发现，完善原来的假说，这样一步步完成的，与相对论的形成过程完全不同。

量子力学的物理解释总是很抽象，众说不一。如大家所熟知的“薛定谔的猫”，就是量子力学中的不确定性问题。玻尔在不确定性原理中，表征了其经典概念的局限性，认为在量子领域总是存在互相排斥的两种经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征，由此提出了“互补原理”，该原理被认为是哥本哈根学派对量子力学的正统解释。而爱因斯坦却不同意，他认为自然界各种事物都应有确定的因果关系，而具有统计性特征的量子力学是不完备的，它无法对自然界进行完全地描述，互补原理只是一种绥靖哲学。爱因斯坦与玻尔之间进行了长达三四十年的争论，直到他们去世，也没有作出定论。但毫无疑问的是，这些争论促进了科学思想的萌芽、发展，很多著名的科学定律、理论都是科学家思想交流、思维碰撞的结晶。

复杂性科学——物理学中另一个未知领域

《复杂性——一种哲学概观》一书作者尼·雷舍尔告诉我们，日常生活中很多的离奇现象常常被我们忽略。例如一枚受精的鸡蛋，如果保持38摄氏度的恒温，它将会孵化出小鸡，这是从简单向复杂演化。如果把它放在100摄氏度的沸水中，它会变成一枚熟鸡蛋，而若将它长期处于60摄氏度下，它将自发腐败，成为臭鸡蛋，这又是从有序向无序演化。事情就是如此奇妙，生物进化并不存在某些中心线索来引导发展，在连续和极端复杂分支化的演化中，任何一个偶然因素都会影响那些现存物种，会使之与现在完全不同。

为什么按热力学第二定律，无机自然界自发过程总是从有序向无序方向演化？如一滴墨汁在水中消散。为什么地球上无机界和有机界演化的方向截然不同？这些问题直到20世纪中叶仍一直困扰着科学家们。

复杂性既是一种福音又可能是一种祸害，它使理性预测处于尴尬境地。在简单且布局和攻防都有定式可循的围棋竞赛中，棋手表现出来的水平则完全不同。水流总是应以最小阻力路径前行，但一条河流又总是流出蜿蜒曲折的河道。科学技术越进步越完美，但像一架飞机有数百万个零件，管理它，控制它，分析它出现事故的原因，又将十分复杂。

物理学的前沿问题主要是研究时间、空间和物质的本质，可分为宇观尺度和微观尺度两方面。

宇观的时间尺度的研究已延伸到150亿年前的宇宙大爆炸，而诞生的时刻，空间尺度是150亿光年，由此追溯大爆炸后以光速膨胀着的宇宙的全部历程，利用宇宙大爆炸模型研究宇宙从初始到诞生，从尘埃到星系的形成、星系的分布、星系的演化等问题。

微观的时间尺度研究范围到了10^—15秒的飞秒量级，在如此短的时间内，正是化学元素越过能垒，决定选择正或副反应路径的那一瞬间。空间微观尺度研究到了10^-34厘米，这一尺度下物质的行为可通过量子力学来描述，出现了强激光物理、基本粒子物理学等，这方面的研究工作是近代物理学的主流之一。

近三四十年，物理学从非线性科学引发出对复杂系统的兴趣，开始研究由于外界多种诱因集合而一起产生的现象。比如湍流，大飞机起飞、火箭上天等与空气相互作用，都会形成湍流，湍流会造成几乎90%的阻力，它决定了飞行器的姿态。如波音737MAX飞机在2018年至2019年不到5个月的时间里出现的两次机毁人亡的惨剧，就是和湍流控制不当有关。如果建造高马赫数的超高速飞行器，遇到的问题也在于此。

再如，凝聚态物理要研究的新型半导体物理、高温超导等，它们呈现出的一些新规律不是单一理论可以描述的。复杂系统研究也可扩展到社会学、经济学方面，如博弈论、股票、市场动力学等也都属于复杂系统科学研究范畴，可见复杂系统的研究更贴近于生活。

复杂系统是一种我们还没有有效方法作出可靠预测的系统，现在的数学和物理手段还没有发展到能对这样系统作出定量的预测。实际上，在科学发展过程中，有很多系统原来被认为是复杂系统，新科学手段的出现又使它变成了简单系统，如天体行星的运行轨道，如果没有牛顿力学，它仍是复杂系统，但现在我们已经能作出非常精确的预测了。所以定义是否为复杂系统，是可以改变的。

复杂系统应有以下特征：

（1）非线性：非线性系统会产生跃变，即从一种状态突然转变到另一种状态，称之为涌现变量和因变量之间的非正比关系。

（2）强关联性：很难找到一个描述行为的近似方程，如高温超导虽已发现了几十年，但至今仍没有找到一种理论能完美地解释它。

（3）平均场理论失效：如用瓶内水分子的平均值代表所有水分子的运动情态，这是物理的平均场理论，但如果这样会导致极大误差，则表明平均场理论在复杂系统中失效。

（4）主动性系统：指研究对象会根据不同环境有不同行为，从研究者不同的视角，可以有不同认知。这其中存在一个主动思维过程，从而使自身利益最大化，如博弈论中金融行为等。再如图2-8所示，从左向右看出是一只兔子，从右向左看是一只鸭子，可人为地主动选择，称格式塔（Gestalt）转换。

（5）难以反向追溯系统：比如生物进化过程，常常由于随机突变产生分叉行为，很难从后来的现状去推断过去的现象，所以称之为难以反向追溯系统，或者称分叉系统。

（6）混沌系统：随时间有规律变化的信息可用傅里叶函数解析，称为脉动信号，而完全没有规律的信息称为随机信号；介于两者之间，近程无序、远程有序者，称为混沌信息，如股价信息波动。

研究非线性复杂系统可以揭示行为多稳态现象，如行走在钢丝上的杂技演员，努力保持自己站在钢丝上，就是处于暂稳态；如果掉到右边或左边的地上，就是处于完全稳定态；所以该系统有两个稳态。又如有放热效应的化学反应过程，在一定约束条件下操作可稳定运行，处于暂稳态；一旦受到外界轻微干扰，会迅速滑向熄火或过热爆炸而进入失态；整个过程就称之为多稳态过程。

也可以研究系统的“灾变”现象，如我们常说的“压倒骆驼的最后一根稻草”，就是在一个敏感点上，发生微小的变化就可以引出强大的反应后果。如地震的发生是因为地壳板块相互挤压，造成微小变形和内应力的积累，自发地触发到达临界点，最终造成地震爆发，这被称为自组织临界系统，所以很难预测地震发生的时间和强度。

非线性系统的另一个特点是“图灵”斑图现象，动物如斑马身上斑图的形成机制，是由于体内生物化学反应与生物分子随机扩散的交替控制造成的，可以随机形成不同花纹（图2-9）。上述行为都是属于复杂性科学所研究的范畴。

复杂性科学研究的领军人物之一，当推伊利亚·普里高津（1917—2003），1977年诺贝尔化学奖获得者。他从非平衡态热力学中提出耗散结构论和自组织理论，证明自然界的复杂事物是由简单事物经过不断地自组织而逐步进化出来的。一种远离平衡态的非平衡系统，在其外参数变化到某一值时，通过系统与外界不断地交换能量和物质，系统可以从原来无序性状态，转变到空间、时间和功能上都有序的结构。如人类从卵子、精子到胚胎和婴儿，即简单事物通过自组织而产生出复杂性。这是由于无序状态失去稳定性，由某种涨落现象被放大的结果。他的两本著作《从混沌到有序》《确定性的终结》，把复杂性研究推向一个新高度，并将物理世界的复杂性研究逐渐扩展到人文社会领域的复杂性研究，所以复杂性科学仍是人类面临的重要课题。

普里高津的研究工作是从关注当时科学界两个使人迷惑不解的问题开始的，即：

第一，有序和无序关系问题。热力学第二定律说明宇宙将不断从有序转向无序，而生物进化论无可置疑地说明了生物学的领域中会从简单走向复杂，从无序走向有序。

第二，可逆性问题。热力学第二定律描述的都是不可逆现象，例如热量永远从高温传向低温物体，而没有相反的传热现象。

这一矛盾现象我们习以为常，殊不知往往在这些矛盾现象观察的背后隐藏着重大的科学规律。普里高津提出的耗散结构理论，对生命现象有序和无序关系的解释是物种起源和形成过程。基因突变对单个生命系统来说是非常偶然的、概率极小的事件；但在大规律条件下即产生严格的规律性，因而成为必然。如对个别家庭婴儿出生是男是女是偶然现象，如果从全社会进行统计就会发现男婴与女婴的比例会趋于50%，可见偶然性和必然性是同一过程不可分割的两面。

所以对于一个创新者来说，从习以为常中发现矛盾也许就是解决矛盾并引导出重大发现的途径。

化学中迫切需要突破的创新领域——绿色化学化工

化学和化学工程是一门古老的科学，始于几千年前的炼丹术、炼金术和酿酒术等。时至今日，它在推动社会进步方面仍发挥着越来越重要的作用。现代文明社会，人类的衣食住行都依赖于大宗化学品的制造。

先进的高端制造业引导着尖端产业的发展，而先进的材料是其发端和支撑。如高强度、高耐热、高耐磨、高耐蚀、超高纯、高磁通量、超细、超焓能、超导、自组装材料等化学合成材料，无不依赖于化学科学的进步。

21世纪以来，化学科学已进入超“分子科学”时代。多尺度、跨尺度的研究不断取得进展。如计算化学已贯通量子尺度与分子尺度界限。同是美籍科学家的马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和亚利耶·瓦谢尔因多尺度模型获2013年诺贝尔化学奖。纳米材料（石墨纳米管、石墨烯、石墨炔等）的合成，使超分子化学组装获得快速发展。

但所有化学合成的进步都必须与现代社会绿色发展相契合，绿色化学合成必然是当今创新的最重要的关注点之一（图2-10）。

近代化学的研究和方法可以划分为：

（1）合成化学：合成方法学、手性化合物合成、计算机辅助合成、相转移合成、模板合成、自组织合成、原子经济合成、绿色合成等，并打通无机合成与有机合成的界限。

（2）分离化学：离子交换、吸附分离、膜分离、萃取分离、电泳、同位素扩散分离与离心分离、精馏与吸收分离、色层分离等。

（3）分析化学：生命科学的基因等分析化学、电分析化学、光和波谱分析化学、化学计量学、在线分析和原位分析等。

（4）物理化学：化学热力学、非平衡态热力学、宏观与微观反应动力学、结构化学、谱学、在外场（声、光、电磁、超声）作用下的化学、激光和辐射化学、超高温高压化学等。

（5）化学合成：超高分子量聚合、双峰分子量聚合、气相沉积纳米材料合成、纳米自组装等。

（6）理论化学：量子化学、化学统计力学、计算化学、分形、混沌、耗散结构的非线性化学、化学信息学等。

由此可见，化学研究与多种学科交叉发展已深入到多个领域之中了。

在我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段过程中，污染防治和环境治理是需要跨越的一道重要关口。我们必须咬紧牙关，爬过这个坡，迈过那道坎。要加强生态环境保护建设的定力，不动摇、不松劲、不开口子。要探索以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展新路子。要贯彻新发展理念，统筹好经济发展和生态环境保护建设的关系，努力探索出一条符合战略定位、体现特色，以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展新路子。

社会发展的可持续性，关系到人类的未来。而我国的可再生能源产业、纯电动车电池及电动交通工具等产业在世界上遥遥领先。国家主席习近平在第75届联合国大会期间提出中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。取代化石能源的新能源时代已现曙光，丰富的能源供给，使资源完全循环利用成为可能。所以，二三百年以后，预计地球上所有的石油、煤炭、天然气、铜、铁等矿藏必将消耗殆尽。循环经济的理念，使资源可以循环、充分地利用，就必须依靠化学科学与其他学科的交叉发展，这就使得化学领域必然成为创新的重大领域之一。

创新需宽阔深邃的时空视野

原始创新需要有宽阔深邃的时空视野，才能聚焦于有重大社会价值的问题。即从地球自然历史、人类的进化史出发，深入分析人类社会发展现状，并对未来作出科学分析和预测等，从中作出巨大贡献。例如在试图科学评估我们赖以生存的星球现状和资源局限性基础上，探讨使人类在地球上继续生存10万年至数百万年所引发出来的科学问题。

第一，是人口问题，据现有科技水平估计，地球的资源和土地可能只能承载不超过110亿至150亿居民。要想使人类长期、舒适、有尊严地生存，将人口长期稳定在一个水平上就显得十分重要，这将牵涉科技、人文伦理、经济等多种学科的各方面，体现出当代科学的复杂性与多面性。

第二，充足的能量供应是人类文明得以存续的一个基本需求。现在能源主要源于化石能源，这是数百万年至数亿年前的生物质化石，属于不可再生能源，估计在数百年后将不复存在。可再生能源，如风能、水能、太阳能和核聚变能等的开发，才是解决能源问题的根本，由此引发的科技问题当然是必须关注的课题。

第三，地球上的资源是有限的，而人类对于改善生活品质所产生的消费的增长是无限的，从物质不灭角度出发，如何循环利用资源、提高资源产出率也是一个基本课题。

第四，是全球气候变化问题，近年来出现的全球变暖、海平面上升等对于人类长期生存的影响，也要引起更多的关注。

另外一个会长期困扰我们的问题是，我们人类究竟是从何而来，是一个生物学进化的意外产物（进化论），还是宇宙有目的的一项神圣任务（神创论）呢？在我们还不能对生命的起源和人类的起源问题给出一个清澈的科学解释时，它永远是重大科学创新的命题。

当然这些根本的重大科学问题的破解，不可能一蹴而就，需要逐步积累，科学家也不断取得了对一些深邃时空视野问题的研究成果。例如：

人类是否能逃离地球？目前看来地球仍是我们最宜居的星球，将人类的未来寄托在地球之上是我们唯一可信、可行的选项，这也是需要我们不断证实或证伪的题目。

又例如：

20世纪“三大地学突破”中的两项，即板块构造理论和米兰克维奇气候理论，均诞生于美国哥伦比亚大学拉蒙特—多尔蒂地球观测站（LDEO），显示出该站在科学研究上深远的时空视野。LDEO科学家们通过全球范围海洋测量，掌握了大量海底地貌资料并获取了大量深海钻心样品，经过近20年海底地貌资料收集，于1968年完成了全球海底地貌图，以无可辩驳的数据表达、证实了阿尔弗雷德·魏格纳于1912年提出的大陆漂移说，使之成功上升为板块理论。为此，摩根（板块理论的代表Willim J. Morgan，1935—，图2-11）获得了美国国家科学奖。该理论认为，全球岩石圈基本构造由六大板块，即欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极板块和若干小板块构成。世界面貌是由板块活动在地幔上形成的（图2-12），这为矿脉的形成、地震的发生理论奠定了坚实的基础。

1976年，LDEO的科学家詹姆斯·海斯等首次根据积累的大量数据说明，20世纪40年代由南斯拉夫数学家、天文学家米兰科维奇提出的气候变化的假说，可以上升到理论了。该理论认为：过去200万年（甚至更早），地球气候长周期的变化的主导因子是源于地球公转轨道的偏心率（约10万年周期）、地球自转轴的倾斜角（约4.1万年周期）和近日点的跃动（约2.3万年周期）三者周期变化的叠加，排除了前人所迷信的“第四纪四次冰期”的粗糙理论。

跨越科技创新“死亡谷”

科技创新从发明到工程应用，需要从实验室的样品制备、中试调整，到放大量产等长时间的再创造过程。这一过程需要不断扩大投入，风险巨大，且时常得不到经济回报，所以从实验成果到创造产业，是许多企业无力涉足的跨越过程，又被称为科技创新的“死亡谷”。

解决从创新到创业的跨越是一个复杂的社会问题，涉及方方面面：

1. 从源头上讲，可能是学术界的成果与产业界的需求不合拍。当前国内大部分研发项目的指南来源于学术界和管理部门，可能并非市场亟须解决的问题，而一些涉及产业前景的科研项目指南，其实可以吸收企业参加编写。

2. 鼓励科研创新者参加产业转化的积极性，如果对工程科研人员的考核标准只是SCI论文的数量，实验成果一经发表就束之高阁，其转化应用与否与科研创新人员无关，就会使创新-创业链中断。所以，一方面要延伸责任链，让创新者充分参与实验成果的转化；另一方面要从制度上保证创新发明者在转化中的经济利益，吸引他们积极参与放大量产的全过程。

3. 全面落实“企业是创新主体”的国家政策。

企业是创新的主要受益者，当然也应该承担创新中的种种责任。实际上创新产业已经成为财富的重要来源，联合国报告显示，全球创意产品的贸易是一个不断扩大并具有弹性的行业，2002年至2015年间，全球创意产品市场价值翻了一番，从2080亿美元增加到5090亿美元，13年间创意产品的出口年增长率超过7%。尽管中国在创意产品和服务的贸易中占据着主导地位，但我国企业在科研创新的投入很低。

如2018年的石油化工产业，中外前三强企业对研发的投入相差达10倍以上，国外企业：巴斯夫（德国化工企业）22.7亿美元；陶氏杜邦（美国化工企业，由陶氏化学和杜邦美国合并而成）21.1亿美元；住友化学（日本化工企业）15.6亿美元。而中国企业，万华化学1.9亿美元，金发科技1.4亿美元，荣盛石化1.4亿美元。中国企业中只有个别企业重视研发创新并获得了巨大发展，如华为集团1987年创业时，雇员仅30人，到2017年底已有18万人，其中包括万名博士和数万名外籍开发研究人员。2014年，华为全球研发中心总数达到16个，联合创新中心共28个；2018年，华为已在全球11个国家建立5G创新研究中心。企业实现全方位创新，以市场为导向，决策由专家集体决定程序，硬件研发放在中国，软件开发放在印度，制造方面与富士康合作，面向170个国家的市场，真正实现了“企业是研发创新主体”的要求。

所以，对大部分企业参与创新和投入精力不足的现象应该分类研究，逐一解决。如国有大企业主管人员是任期制，一个创新项目不可能在任期内见到成果，一方面要承担风险且全生命周期问责；另一方面就算成功了也没有任何回馈奖励，导致他们没有热情和积极性。而中小企业或有创新动力及灵活创新的能力，但却存在资金不足等问题。

4. 技术经纪人的培养机制。由于研究院所与企业信息不对称，企业不会判别各个研究成果的实在价值，也找不到有责任的合作伙伴，而研究院所又不知道哪家企业有需求有实力接力开发，所以好的技术经纪人或公司就成了将学术成果与产业链接的润滑剂，把科学家系统、工程师系统和管理运营阶层整体融合起来，使整个创新-创业链运行无阻。

5. 风险基金的高效运作。大量资本持有者并不知道自己的资金如何投入创新以谋求最大的效益，这需要真正有识之士的辨别力、前瞻力。当前，中国十分缺乏这样能管理资金的风险基金机构，许多基金管理者、孵化器，都不具备这种能力，不敢“第一个吃螃蟹”，这也要求我们法律介入，建立一个诚信的社会。

6. 创新-创业链成功的引路典型。典型的力量是巨大的，这也是全社会科普宣传的重要任务，他们是全民支持创新、敢于创新、形成创新型社会必需的排头兵。

创新要“顶天立地”，“顶天”即创新成果能发现未知自然规律，而所谓“立地”则是创新成果可促进经济增长。随着市场竞争的日趋激烈，企业只有不断更新自己产品，提高产品的质量才能生存，才能发展。这对企业家、政府主管人员的判断能力、决策能力提出了更迫切的要求。只有创新直通创业，才能使我国跨过“中等”收入国家的陷阱。

事实上，我国科技水平的基础已开始具备原始创新的能力，让更多的创新成果跨过“死亡谷”势在必行。