作者:平常心

本文转载自:蒋校长(ID:jiangxiaozhang666)

近来,网络上有关基础科学的话题引起了大伙广泛的讨论,而美国科学家曾经的一段话让老蒋心里五味杂陈,就基础科学这个事咱有必要好好聊聊。

“假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用,我们很快就会退化成中国人那样,多少代人以来他们都没有什么进步,因为他们只满足于科学的应用,却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。

中国人知道火药的应用已经若干世纪,如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理,他们就会在获得众多应用的同时发展出化学,甚至物理学。

因为只满足于火药能爆炸的事实,而没有寻根问底,中国人已经远远落后于世界的进步,以至于我们现在只将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。”

上面这段话,出自美国著名物理学家、美国物理学会第一任会长亨利·奥古斯特·罗兰的文章《为纯科学呼吁》。

▲ 亨利·奥古斯特·罗兰

这篇文章发表于1883年8月24日,是罗兰在“美国科学促进会”上的演讲稿,后来发表在了《科学》杂志上,它被誉为是“美国科学的独立宣言”。就在这篇文章发表了11年之后的1894年,美国的GDP正式超过大英帝国,成为世界第一大经济体。

也是在1894这一年,大清帝国的北洋水师在甲午海战中全军覆没,华夏民族从此陷入了万劫不复的深渊。

相信每一个国人看到这段话,心里都会很难受。历史上,中国曾因不重视基础科学吃了大亏。

我们古代虽有四大发明,也有 “勾股定理”,但并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学,更多的是停留在技术应用阶段。而早在古希腊时期,西方就出现了几何学、逻辑学等科学,然后通过逻辑推理发展出一整套科学体系。

因此到了近代,中国不仅被人欺凌,还成了全世界的反面教材。直到新中国成立,这种局面才得到了改观,国人终于认识到“科学技术才是第一生产力”。

当然,因为时间太短、底子太薄,咱们在基础科学领域,客观上还是和美国有较大差距,这个也不必讳言,更不必妄自菲薄,只要以后更重视、更努力就好了。

正如去年华为在央视投放的《基础研究与基础教育》公益广告中说的两句话:

 “每一次产业革命,都是基础研究的厚积薄发”

“只有长期重视基础研究,才有工业的强大,只有长期重视基础教育,才有产业振兴的人才土壤。”

这两句话,可以说是对基础科学(还有基础教育)重要意义的最经典的诠释。

那么,这个基础科学对一个国家来说,到底有多重要呢?其它国家又是怎么做的?对我们有什么借鉴意义呢?

虽然这个话题可能会有点枯燥,但对于当下的中国来说,确实非常重要。笔者慢慢写,希望各位读者也慢慢读:

一、基础科学的重要性

如果我们回看世界历史就会发现,欧美国家的崛起都与基础科学水平的提高有关。如果没有微积分,大炮就不会加冕战争之王;如果没有质能方程式就不会有原子弹;如果没有热力学、牛顿力学、电磁学作为基础,两次工业革命根本无从谈起。只知道烧水的人是没法改良蒸汽机的,瓦特本身就是个研究数学的学者。

就拿军事技术的发展史来看,基础科学与军事技术创新的关系经历了独立发展、相互联系和高度融合的 3 个历史阶段。

在古代,基础科学与军事技术创新的关系处于各自发展的初级阶段。古代基础科学以萌芽的状态孕育于技术之中缓慢发展,对军事技术创新的作用非常薄弱。而这一时期的武器装备以简单的冷兵器为主,兵器的性能主要取决于工匠的经验,军事技术创新主要依靠工匠们技术的经验积累和熟练程度。

到了近代, 基础科学与军事技术创新的关系处于单向推动的中级阶段。14—15 世纪,以观察实验和逻辑推理为基础的近代科学,如数学、化学、物理学等基础学科获得了较快的发展,取得了一系列的新理论、新知识,这些基础科学的突破带来了军事技术的创新,基础科学与军事技术创新相互联系。

到了现代,基础科学与军事技术创新的关系处于双向互动的高级阶段。进入 20 世纪,由于新的实验工具的产生和交叉学科的兴起,科学形成了一个多层次的统一体。这一时期基础研究与军事技术创新的关系比以往任何时期都要密切,二者相互融合。任何重大新技术的出现,不再来源于单纯经验性的创造发明,而来源于系统的、综合的科学研究。

举个例子,下面这篇论文(局部)相信99%的人都看不懂,但是看到最后的那个曲线可能军迷就有印象了。

▲ 这就是“钱学森弹道” 

目前所有的高超声速飞行器,基本上都采用了“钱学森弹道”,可以说钱老为高超声速武器的试验奠定了理论基础。

他的理论早在1948年就提出了,但直到近些年,随着空气动力技术和控制技术的发展,实现了螺旋桨和喷气推进之后的第三次动力革命,中美俄三国才进入了“高超声速武器时代”

而钱老的理论基础不是凭空出现的,他也是站在前人的肩膀上才获得了新的突破。

其实高超声速武器的概念,早在1883年就已经出现了。当时的奥地利科学家欧根·桑格尔,就提出了助推滑翔飞行器的方案,名为“桑格尔弹道”。现在有的自媒体把钱学森弹道说成“打水漂”是不对的,真正打水漂的是“桑格尔弹道”。

其原理是用火箭将飞行器投送至太空,以获得一定的速度矢量,在大气层和太空的交界处利用重力和空气升力的联合作用下,以“打水漂”的方式实现洲际飞行和突防。

纳粹德国在二战末期曾经计划研制一种用于洲际攻击、可对美国本土进行打击的导弹,但这种技术存在先天性的技术缺陷,以当时德国的科技实力也难以实现。

直到“钱学森弹道”提出后,取消了“桑格尔弹道”在太空与大气层交界面“打水漂”的不切实际设想,而是改用火箭助推器先将飞行器推出大气层,而后在重力的作用下重返临近空间,利用自身操控翼面产生的“激波浮力”滑翔于临空空间,才使得高超声速武器离现实又近了一步。

另外,除了军事技术的革新离不开基础科学之外,能源革命的实现,也离不开基础科学。

众所周知,能源安全一直是我国崛起过程中绕不开的坎儿,美俄两国现在都是石油出口国,相比他们,到目前为止我国70%的石油依赖于国外,这个数字在10年之后会上升至80%,一旦能源运输线被掐断,就可能引发重大国安危机。因此,当下大国竞争很重要的一个领域,就是新能源。

在所有的新能源中,“可控核聚变”技术更是一大焦点。

这种技术俗称“人造太阳”,可为人类提供清洁、安全而且原料取之不尽的能源,是人类最终解决能源问题的希望。如果人类掌握了核聚变,就再也不用为能源发愁,以化石能源为主导的世界格局,将会翻天覆地的变化。

早在上世纪50年代,前苏联的库尔恰托夫研究所就发明了“托卡马克”装置,使人类在可控核聚变的领域迈出了从无到有的第一步。但直到今天,在中、美、俄、欧、印、日、韩七国联合突破之下,该技术仍未完全获得成功。

为什么?原因就在于一些技术难点背后的基础科学还没有获得突破。

比如说,在高温环境下,原子中的电子与原子核之间的连接会被打破,在这种情况下电子会挣脱原子核的束缚,这种现象被称之为“电离”。失去电子之后,剩下那些原子核就变成了“等离子体”,由于等离子体是带正电的,所以它们可以被磁场约束。

然而用磁场来约束等离子体,在实际操作上难度是极大的。要让核聚变持续、稳定的进行,就必须要保证磁场要长时间的、非常均匀的分布,而事实上这是目前科技水平不能做到的。任何不均匀的磁场都会对等离子体造成扰动,这些扰动会在电磁作用下瞬间放大,从而使整个核聚变反应变得不受控制,要么反应太激烈,要么停止反应。

然而科学家们发现,可控核聚变的难度远不止于如何约束等离子体,在很多技术细节上所遇到的困难远远超出想象,甚至可以说就是“天坑”

比如说在可控核聚变中有一个专业术语叫“第一壁”,它指的是在核聚变中面对等离子体的第一层固体隔离结构,相当于一个“容器”,起到封闭能量的作用,如果没有了它,收集核聚变产生的能量也就无从谈起。

但是由于核聚变发生的必要条件之一就是需要达到数千万摄氏度,而目前人类已知熔点最高的钨也不过只有3000多度,目前地球上各种已知的材料中,没有一种扛得住这种极端“折磨”的材料。要想纯熟控制上亿度的等离子体流动,必须获得物理学、数学的革命性突破。

看到这些,你还能说基础科学不重要?

当然了,肯定有人会说“买菜又不用列方程”,什么弹道啊、核聚变啊都离我们的生活太远,基础科研又不能马上变现,有什么用?

诚然,我们无法说出某个方程有什么具体的用途,但是整个科学体系是自洽的,基础科学虽不能直接应用到实际中,可它是解决实际问题的基本原理。

牛顿力学并不能教你怎么盖房子,这是土木工程需要解决的问题,但是牛顿力学是土木工程的基础;你如果去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用,他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关,但是电气化,包括电和电器的应用,都是他奠定的基础;

现在临床医学广泛使用的核磁共振设备,最早来源于美国高能物理领域的粒子加速器研究成果,谁能想到这东西会用于医学检测?

看看这些你就会发现,基础科学其实离我们每个人并不远,它不仅是与整个人类的生存发展息息相关,更是一个国家攀登高端产业的阶梯,以及大国博弈的真正基础。

其实,决定一个国家能否在博弈中取胜的关键无外乎就两点:军事和产业经济。

而这两点要想突出,就必须掌握足够多的应用科学,也就是技术。顶级的技术是每一个国家都会保密的,跟别人学是学不到的,如果别人不给,就只能自己研发,那怎样才能研发出最高端的技术呢?

答案只有一点,就是必须拥有雄厚的基础科学实力,而基础教育则是基础科学发展的重要部分。

当你的高端研发能力不足时,对方卡你脖子不过是分分钟的事。

当下,中美贸易战已经升级成为科技战,背后则是以教育体制、产学研模式、创新体制为核心的基础科学竞争。如果只是享受别人的成果,那你既不能得到大家的尊重,也很容易被别人踢出圈外,夺走财富。

二、发达国家的借鉴

历史上,越是发达的、先进的国家,就越会重视基础科学。

就拿美国来说,美国之所以能不断孕育伟大发明和伟大公司,基础科学发挥了重要作用。早在美国立国之初,对科技与创新的鼓励就融入了美利坚的基因。1787年的《美国宪法》规定:“通过保障作者和发明者对他们的作品和发现在一定时间内的专有权利,来促进科学和有用艺术的进步。”

除了立法和政策的鼓励,美国还直接大笔真金白银的投入来扶持,取得的结果也非常显著。

拿诺贝尔奖来说:

20世纪前十年(1901-1910),美国只有一位诺贝尔科学奖获得者,其余35位获奖者都在欧洲。

二战前(1901 – 1939)美国有13人获奖,占全部得奖人数(129人)的10%、亦低于德国(34人,26 %)和英国 (22人,17 % )。

但二战后(1943-1997年)美国则有170人获奖,占全部得奖者(320人)的53%,远远超过了英国(42人,13%)和德国(28人,9%)。

这些年下来,美国在几乎所有的础研究领域,以及27个关键技术领域中的24个,保持了世界领先地位。直到现在,美国人或者说美籍科学家仍没有让“获奖人数世界第一”的宝座旁落,这就是它“科技霸权”的重要体现。

除了砸钱之外,美国也建立了一套现代科技体制。一流大学、一流科研人员+初创企业的产业化能力+政府和军队的大量订单,构建起一套各主体紧密合作、相互促进的“产-学-研”生态系统。最典型的就是斯坦福大学和硅谷的崛起案例。

三、中国的情况

先说好的一面:

近代那种仅凭一个人“小作坊”式的研究,就能搞出重大科技突破的时代已经过去了。今天,靠个人单打独斗搞出高科技是不可能的。

假如一个人想自己研发芯片,都不用到投产,他就已经破产了。光是一个流片验证费,一般的中小企业和高校都很难负担。2015年28nm芯片报价是每平方毫米几十万人民币。

今天华为的7nm麒麟980处理器,研发费用是以10亿人民币为单位,成本成几何数量级发展。这就导致了只有苹果,三星和华为三家大公司才有足够资金自研处理器,只有大公司才有足够的销量来摊薄天价的成本,中国没几家企业敢这么做。

然而这还只是小case,国际尖端的基础科学领域投入就更大了。

比如说高能物理,一个加速器至少会涉及二三十个技术门类,最后哪怕有一个螺丝钉没拧好,整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器,就像显微镜的镜头一样,可以看到整个过程,从而进行数据分析。

所以既有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来,更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。

要想做到国际领先就必须把整个团队凝合起来,奔向同一个目标,这是包含成百上千人的“团队作战”,这种规模的科学研究体现的就是国力。万幸我们国家有丰沛的人才资源,政府有着强大的组织能力。

让人欣慰的是,这两年,从国家到各大企业家,都开始加强对基础科研和基础教育的投入。国家“青年千人”计划招聘给老师开出丰厚高薪、乡村教师马云大力推动基础教育。所有这些努力和投入,都是为了从源头上,从教育上,从青少年身上,强大中国基础科研的力量。

为了加强科研实力,我国各大高校对头部科研人才的待遇和科研经费支持在迅速提高,作为承担基础科学研究主力的我国高等学校,2017年科研经费支出为1266亿元,增长高达18.1%。即使欠发达地区省份,也通过提高待遇和经费支持等形式,力保本省建设一两所一流大学出来,以保留本省参与全国科研竞赛的能力。

从2013年开始,我们每年研发经费平均增长超过11%,2017年高达12.3%。而美国同期增长仅为2.7%,欧盟2.3%,日本最惨,只有0.6%,几乎处于停滞状态。

而占GDP比例上,我国科研投入在2016年就已经突破2%了,超过英国、欧盟等西方发达经济体,直逼美国。考虑到我国的经济体量十分庞大,而且每年还在高速增长,可以说这种规模的研发投入已然非常可观了,足以碾压世界上绝大多数发达国家,也难怪人们称中国为“发达国家粉碎机”

如今,经过多年努力,中国的科技水平已经在世界高科技领域占有一席之地了。

根据世界知识产权组织(WIPO)数据,2017年全球专利批准140万例,其中中国占比最高,占全球比重30%,美国、日本、韩国和欧洲分别占比23%、14%、9%和8%。中国的科技论文被引用数排到了第二,算是跨越了一个很大的台阶。高影响力论文中,中国占有很大的比重,特别是在材料科学、化学、数学、工程等学科领域。

另据中国科学院发布的《2017 研究前沿》报告,在 143 个新兴前沿中,中国在 25 个研究前沿表现卓越,仅次于美国。其中应用导向 17 个,科学导向 8 个。中国科学技术发展战略研究院发布的《国家创新指数报告 2016—2017》显示,中国创新指数排名提升至全球第 17 位,是唯一进入前 20 位的发展中国家。

当然了,优点要说够,问题要说透:

虽然我国在整体研发经费上的投入越来越高,但还存在结构性问题,这些经费具体落实到基础科研上,就显得不大足了。

2015年,美国基础研发投入占全部经费(R&D)比例的17.2%,日本占11.9%,韩国17.2%,就连俄罗斯都占到15.5%,要知道,那个时候俄罗斯正因为克里米亚问题遭到西方制裁,在经济捉襟见肘的情况下,俄罗斯仍然没有放松对基础科学的重视。

而我国2017年在基础科学方面的投入仅为R&D总投入的5.5%。那么多的钱都花去哪了呢?基本都花在“技术应用”的部分了,因为这些行业的技术早已发展成熟,对研发投入的要求也没那么高,不存在什么门槛,而且来钱快。 

比如纺织业和服装业。2017年中国纺织品出口仍高达1097.7亿美元,而行业的研发投入才30多亿美元,说是一本万利一点也不为过。能赚到不少钱,同时还解决了大量的就业,何乐而不为呢?

饭要一口口吃,步子要一步步迈,之前为了快速发展经济,所有大量的研发投入倾斜到“应用科学”领域,但如果想要跳出“中等收入陷阱”,获得更多利润,那就必须实现产业升级。

仪器和设备可以用钱买来,天赋可能与生俱来,但是我们的数理化知识,我们的实验能力没有捷径,所有这些都需要通过努力才能获得。没有辛勤的工作,问题就不会被攻克。未来,我们还需要把更多的资源投入到基础科研上。

当然了,基础科学的巅峰博弈,拼到最后比的还是国力,无论是集中力量办大事的组织能力,还是中国人的智慧,还是财力,咱们都有着强大的优势,所以接下来,就是卷起袖子干了,是不是?

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