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陳曉劍 鐘琪:在創新范式改變中尋找沒有天花板的黃金學科

2019-12-11 中國科學報
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  人類歷史上,有三次顛覆性的科學革命將人類文明引領到了新的歷史高度,第一次是以牛頓為代表的一大批科學家推動建立的近代自然科學體系,第二次是以能量守恒與轉化定律、細胞學說和進化論三大發現為代表的實驗科學體系,第三次是以愛因斯坦相對論為代表的科學觀重大變革。

  我們不難發現,這三次科學革命的產生都和創新范式的改變密不可分。科技創新范式從通過抽象的思考、推理得出結論的思辨開始,跨越了以記錄和描述自然現象為主的實驗觀測、利用模型歸納總結過去記錄現象的理論推演,到對復雜現象進行模擬進而推演出越來越多復雜現象的計算仿真,現已開始步入探索新范式的階段。

  新的創新范式的改變可能伴隨著四個典型特征:

  第一是基礎性,它的底層邏輯是科學問題的發現和探索,是顛覆性思想和原理的產生。日本著名物理學家寺田寅彥曾指出:“無論任何時代,阻礙科學進步的因素并非來自缺少知識的外行人,而是來自科學家自身對科學的使命和本質認識不足。因此我輩當深刻反省才能進步。”

  基礎研究是通往創新型強國的直通車。比如17世紀的英國,涌現出牛頓、胡克、波義耳等一大批科學家,先后創造了牛頓力學、電磁場理論、進化論等一批科學理論,推動英國成為當時的世界科技中心。早在二戰時期,美國國家自然科學基金之父萬尼瓦爾·布什(Vannevar Bush)在他牽頭起草的《科學:永無止境的前沿》研究報告中明確將基礎研究置于創新鏈的源頭位置,推動形成了“基礎研究—應用研究—技術開發—商業應用”的線性模式,對全球基礎研究發展產生了深遠影響,也成為了科技與產業創新的全鏈條。

  第二是交叉性,學科交叉是創新思想的主要來源或方式,一些跨學科和交叉領域可能有更多的意外之喜,一旦被應用到其他領域,就會引起人類生活和社會結構的巨大變革。交叉學科以現實中重要實踐問題解決為出發點,融合了不同學科的范式,構建了以“問題解決”研究為中心的研究模式,推動了以往被專業學科所忽視的領域研究。比如20世紀的標志性新興研究學科認知科學,其主要研究的是“在認識過程中信息是如何傳遞的”,就是以哲學、心理學、語言學、人類學、計算機科學和神經科學六大學科為基礎構成的交叉學科群。

  科學上新理論、新發明的產生,新工程技術的出現,往往都是在學科的邊緣或交叉點上。當不同學科、理論之間相互交叉,同時一種新技術達到成熟的時候,就有可能出現理論上的突破和技術上的創新。對20世紀的466位諾貝爾獎科學家進行統計,其中超過40%的科學家具有交叉學科背景,特別是20世紀最后25年,接近50%的獲獎者具有交叉學科背景。

  第三是數據性,數據是科學研究的支撐,大數據和人工智能就是能分析科學態勢、把握技術走向的新科學方法,擅長在紛繁的數據中發現、建立背后的關聯。人類社會也正從“馬力時代”“電力時代”,演進到“算力時代”。當前,我們通常只有效使用了不到20%的數據(甚至更少),如果剩余80%數據的價值激發起來,世界會變得怎么樣呢?在2011年好萊塢的電影《永無止境》中,落魄的作家庫珀,服用了一種可以迅速提升智力的神奇藍色藥物。服藥后,他能將世界上已經存在的海量數據(包括公司財報、電視、幾十年前的報紙、互聯網、小道消息等)挖掘出來、串聯起來,得到普通大眾對某種股票的感情傾向,通過海量信息的挖掘、分析,使一切內幕都不是內幕,使一切趨勢都在眼前,在10天內他就贏得了200萬美元,神奇的表現讓身邊的職業投資者目瞪口呆。庫珀的智力提升就是通過對數據的整合理解、感知交互、學習認知,最終實現有效利用。

  數據資源正在變成城市可持續發展的一個決定性資源。能否成為科技革命的策源地,一個衡量標準就是看誰擁有最好的大數據基礎設施,能不能生產和占有最多、最全的數據;是否有最高、最快、最好的數據分析能力和計算能力;能不能最有效地利用與開發數據的價值算法加應用服務。

  第四是生態性,科技創新越來越成為破除生態危機、產生生態紅利的關鍵,它來自于人類、自然與科技的智慧融合和協同共生,能引發新技術、新產業、新經濟的發展浪潮。比如,ITER計劃(國際熱核聚變實驗堆)是為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作計劃,是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步,吸引了包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等世界主要核國家和科技強國共同參與,覆蓋的人口接近全球一半,投資上百億美元。

  當前,新一輪科技革命與產業變革正在孕育,世界科技創新版圖趨于多極化,以往的單一科技中心模式可能會改變,全球科技創新將呈現出一種多中心的生態模式。在科技發展呈現滲透性、擴散性、顛覆性和不確定性的趨勢過程中,加強對科技創新范式變革的研判是十分重要的。科學研究是在“范式轉換”中不斷向前邁進的,每一次科技創新范式的突破都呈現出巨大的能量和優勢,不斷顛覆人類的認知方式和生活方式,不斷刷新我們解釋世界和認識事物的觀念和工具。例如,上世紀初,上海街頭隨處可見黃包車,但卻很難見到一輛汽車;現在汽車川流不息,已經難以見到一輛黃包車了;可以預測,在未來的10~15年內,人們出行交通工具將都是自動駕駛汽車。

  從科技發展規律看,二戰后科技創新模式逐漸從傳統的歐洲式“自由探索”模式過渡到國家為主體的“大科學工程”模式與市場為主體的“需求牽引”模式相結合的發展階段。美國世界科技中心的形成就源于其順應了科技創新范式變革,構建了市場經濟下的網絡型舉國體制。20世紀中葉以來,科學技術發展中呈現出一個新的態勢,即許多科技前沿研究領域的重大突破都離不開大科學裝置。美國建設了世界上最先進、最大規模的大科學裝置群,總數已超過50個,它們是美國成為世界科技中心的始發性動力源泉。對100多年來諾貝爾物理學獎的成果進行統計,可以發現,在1950年以前,大概只有1項成果是來自于大科學裝置的;到1970年以后,如天文望遠鏡、科學衛星以及加速器等等,其中有超過40%是源于大科學裝置;而從上世紀90年代以來,這個比例進一步升到48%。可以看出,重大科學技術突破越來越需要學科的交叉融合,越來越依賴大型科學儀器、跨學科團隊的合作。

  研究范式的改變必然帶來創新的突破,美國科學家萬尼瓦爾·布什說過:“在抵御疾病的戰爭中,進展所借重的發現都是源自醫學中相隔甚遠,甚至是意想不到的領域以及其他的基礎科學。” 過去20多年,基于互聯網技術的虛擬世界創新引領著科技創業的浪潮。隨著半導體產業的蓬勃發展,蘋果、微軟、谷歌、臉書等互聯網公司相繼誕生,創新互聯網公司在硅谷遍地開花,硅谷也由此成為全球“創新”的代名詞。但在今天,我們也可以看到,互聯網技術及公司的發展開始出現拐點。從數學上來說,拐點就意味著速度和方向發生了變化。當前的科技創新不再局限于互聯網領域,科技創新呈現兩極發展態勢——極大(深海、深地、深空等)、極小(微納科技、量子科技、分子生物等),材料科學、大數據與人工智能、生命科學、綠色能源等已經成為沒有天花板的黃金學科。由科學家所主導的跨學科交叉融合就體現了創新范式的突破,相信這樣的由科學驅動的黃金學科和技術應用一定會走得更遠!

  (陳曉劍、鐘琪,作者單位:中國科學技術大學長三角科技戰略前沿研究中心)

打印 責任編輯:侯茜
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