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基础研究有何用? ——从引力波说开去

2016-03-24 10:17 作者:杨中楷 来源:《时事资料手册》 编辑:班和平
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杨中楷,大连理工大学科学学与科技管理研究所副教授、博士生导师。主要研究方向为科技政策、知识产权。

2016年2月11日,美国科学家宣布探测到引力波,在科学界引起震动,也引发了对基础研究的思考。从爱因斯坦预测出引力波,到2016年LIGO(美国“激光干涉引力波天文台”)获得直接观测证据,整整跨越了一百年。

美国之所以能够依靠其先进的设备首先探测到引力波的存在,背后是十几亿美元的投入和大量科技人员的付出。对于基础研究应不应该投入的问题,一直有争论。因为基础研究一般需要长期的投入,但能否如期获得研究成果却存在较大的不确定性,而且即便获得了重大科学发现,也很难直接导致重大创新成果的出现。那么基础研究到底有什么用?值不值得投入?世界各国是否重视?其作用又如何能发挥呢?

基础研究有什么用

1831年,法拉第发现电磁感应现象,确定了电磁感应的基本定律。一位妇女讥笑说:“您的研究有什么用呢?”而法拉第则反问她:“夫人,您新生的婴儿又有什么用呢?”后续的事实证明,如果没有法拉第的科学发现,就没有赫兹、麦克斯韦、马可尼、西门子等人的重大成果出现,电力革命也无从产生。

19世纪末20世纪初,基础物理学领域出现两大重要突破——量子力学和相对论,在这两大理论的基础上出现了激光、核能、超导、半导体等新科技。在爱因斯坦的质能方程式E=mc2的启示下,才形成和发展了核技术,导致原子能在军事、发电等方面的应用。光量子理论使人们发明了激光技术、建立了激光产业,才有了军事上的激光武器,医学上的激光照射和激光手术刀,以及激光在工业和农业上的广泛应用。也正是量子力学研究固体中的电子运动过程,才使半导体技术和电子技术蓬勃发展起来。对于基础研究所表现出的强大推动力,美国著名科学史家杰拉尔德•霍尔顿感叹道:从科学实验室开始的一系列活动,能够引起神话般的巨大进步和突然事件的发生。可以说,基础研究的创新源头作用,已经得到了历史和现实的检验。然而,基础研究的作用远非功利性指标所能完全评价,其在文学、艺术、哲学等层面的影响也是无法估量的。

世界强国都非常重视基础研究

鉴于基础研究给美国带来的强大发展动力,1945年美国科学研究发展局局长万尼瓦尔•布什发表了《科学:永无止境的前沿》这一著名研究报告。报告中提出,基础研究的发现会打开广阔的应用机会,没有基础研究,这个创新链条的其余部分就不会存在。布什还着重强调:基础研究是技术进步的先驱,一个在基础科学新知识方面依赖于他人的国家,将减缓它的工业发展速度,并在国际贸易竞争中处于劣势。布什的观点得到美国高层的认可,他的思想在很长一段时间内影响了美国的国家科技政策,促进了美国基础研究和产业创新的繁荣。这一理念经过美国经验验证后得到进一步加强和普及,成为世界各国制定科学政策的重要参考依据。

从近期的国际形势来看,发达国家竞相推出一系列新的国家战略,增加创新投入,加强前瞻布局,力图在新一轮国际竞争中保持领先地位。2015年,美国发布新版《美国创新战略》,聚焦九大领域,将继续加大研发投入。欧盟提出“地平线2020”战略,更加强调基础科学研究。全球跨国企业也将研发链条逐步前移,更多地关注和投资基础研究,以继续保持其竞争优势。

当前,基础研究不断向宏观拓展、微观深入,交叉融合汇聚不断加速,一些基本科学问题正在孕育重大突破,不断催生新的重大科学思想和科学理论,并不断产生颠覆性技术,将为经济社会发展提供强大动力。

我国既面临赶超跨越的难得历史机遇,也面临差距拉大的严峻挑战,唯有勇立世界科技创新潮头,加强基础研究和原始创新,提升国家科技整体实力和发展潜力,才能赢得发展主动权。

针对基础研究的重要性,习近平总书记指出:基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关,是武器装备发展的原动力。只有重视基础研究,才能永远保持自主创新能力。李克强总理在中科院考察时指出:一个国家基础科学研究的深度和广度,决定着这个国家原始创新的动力和活力。

基础研究的作用发挥需要中间环节

我们欣喜地看到,近年来我国基础研究发展水平不断提升,已经产出了像青蒿素、铁基超导、量子反常霍尔效应等重要研究成果。不过,我们同样要清醒地意识到,一则我国基础研究的发展水平还需要实现从量到质的飞越,二则从基础研究到原始创新还有很长的一段路要走。认为做好基础研究原始创新就会自然出现,是不符合科技创新内在规律的,其间一些重要的中间转化环节不能回避。

1916年,爱因斯坦预言除了大量的自发辐射外还必然存在着少量的受激辐射,并且这种受激辐射还会进一步引发同类的受激辐射,因此可以获得受激辐射被增强的效应。大约30年之后,美国学者查尔斯•汤斯等人开始继承和发展爱因斯坦的理论,提出了利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念,并于1954年第一次实现了氨分子微波量子振荡器,开辟了利用原子(分子)中的束缚电子与电磁场相互作用来放大电磁波的新思路,引发了激光技术的出现和激光产业的发展。

20世纪80年代末,德国尤利西研究中心的彼得•格林贝格尔和巴黎第十一大学的艾尔伯•费尔分别独立发现了巨磁电阻效应。格林贝格尔迅速看到了巨磁阻效应在技术应用上的重要性,1989年6月他在美国专利商标局申请了题为“具有磁性反平行偏振成分的铁磁薄层的磁场传感器”的专利。1997年,IBM技术人员帕金团队率先制造出全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头。如今,这一技术已然成为新的产业标准。由此,笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘实现“大容量、小型化”。

汤斯和格林贝格尔等人的科学研究,始于基础研究成果——科学理论和科学发现,又不单纯属于基础研究,因为他们提供了调控自然现象的现实可行性。这种科学研究有改造世界的潜在功能,却离成熟的工程技术活动有些差距。正是这一类研究搭建了从基础研究到工程技术活动的桥梁,使得基础研究成果能够最终转化为原始创新成果。

要重视基础科学和技术科学同步发展

如果按照钱学森先生的观点,上述类型的科研活动属于技术科学研究的范畴。技术科学是由钱学森在总结德国哥廷根大学应用力学学派并结合自己参与创新空气动力学和创立工程控制论的经验后提出来的。20世纪50年代,钱学森回到祖国,提出了我国火箭导弹事业的组织方案、发展计划和具体措施,同时系统地阐释了技术科学的思想,并首次提出了“自然科学、技术科学和工程技术”三层次的观点。我国“两弹一星”的研制成功,是技术科学应用于重大工程实践、实现自主创新的典范。

实际上,正是通过技术科学的中介作用,才得以实现技术的突破与创新。汤斯和格林贝格尔正是将基础科学研究得出的科学理论和科学发现等成果转化为新的技术原理,才获得了重大突破和原创性发明,进而实现了重大的原始创新。

对于我国来说,需顺应时代潮流,趁势将基础研究成果向原始创新一端不断推进。而要实现从基础研究到原始创新的螺旋上升,则需要在重视基础科学研究的基础上,对技术科学研究同样加以重视,加速基础研究和应用研究的衔接融合,形成全链条、一体化的创新布局。只有这样,才能最终实现基础研究的源头创新作用,也只有这样,才能最终推动原始创新的实现。