物质科学变革性突破的历史启示

　　物质科学致力于研究物质的微观结构及其相互作用规律,它不仅是一切科学的基础,而且可以衍生出一系列新的技术原理,为新材料与新器件的研发提供新的知识基础。物质科学的研究对象主要包括物质的组成、结构、性质及其变化规律等,是典型的多学科交叉研究领域。物质科学的研究不断催生新的理论,而且也催生新方法、新技术、新手段的发明和运用。物质世界的层次对应于基础学科的分类,主要有天文学、空间科学、地球科学、生命科学,乃至材料科学、物理、化学、纳米科技、高能物理、粒子物理等。这些尺度从大到小,所对应的科学前沿分别为宇宙的起源与演化、生命的本质、物质的本质与基本结构等。数学是上述基础学科和科学前沿的共同基础。

　　物质科学研究是辩证唯物主义世界观在科学研究领域的实践。物质世界是分层次的,每个层次均有各自的特征和发展规律。一旦对这个层次的特征和规律有了新的认知,科学与技术都将发生革命性的变化。人类认识自然、改造自然的社会活动,也必须从物质世界及其运动规律出发,按照其本来面貌去认识世界、改造世界,尊重客观规律。这也是科学发展观的内涵之一。世界是物质的,物质是运动的,运动是有规律的,规律是可以认识的。辩证唯物主义是指导物质科学研究的思想基础,同时物质科学研究也为辩证唯物主义的思维方式提供科学实证的载体。

　　绝大多数科学知识是累进式向前发展的,在原有研究成果的基础上发起新研究项目或对长久以来的猜想及理论加以验证,这种进步是进化性的,即进化的科学观。世界上绝大多数科学研究以这种形式的创新性推动科学进步。通过推翻已有模式,产生全新理论,科学进步是革命性的,以这种形式构成的科学研究,称之为变革性研究。变革性研究从根本上改变对已有重要科技概念的理解,或开辟新的领域,挑战旧理论,迈向新前沿,其特点在于“创新性”(innovative)、“高风险”(highrisk)与“大胆”(bold)。1.对自然现象的探索催生了新的理论,奠定了众多发明和应用的基础。

　　李政道先生曾指出:“20世纪初,科学界最大的谜是太阳。”20世纪中叶前,人类所有能源都来自太阳。太阳的能量是经光传播到地球,所以光和热的研究是20世纪初物理界的两大重点。爱因斯坦由于光电效应而于1921年获得了诺贝尔物理奖。2009年,诺贝尔基金会评出了百余年诺贝尔奖史上“最受尊崇的”三位获奖者,其中之一是爱因斯坦。光电效应研究催生了相对论和量子论,引发了一个世纪的创新革命,产生了原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等等。几乎20世纪绝大部分的科技文明均源自于此。

　　2.对物质科学的探索催生了新的检测工具,催生了新的领域。

　　1981 年,Binnig 和R ohrer 教授为研究超导体的局域隧道效应,从最初的装置设计中悟出可用其专门研究表面电子态密度变化,从而发明了可用于观察和操纵表面单个原子、分子和原子团的扫描隧道显微镜(STM)。这一发明5年后获得了诺贝尔奖。STM被国际科学界公认为是纳米科技的“眼”和“手”,催生了纳米科技走向成熟。所谓“眼”,是指利用探针(SPM)可直接观察测试原子、分子以及它们之间的相互作用与特性;所谓“手”,是指STM可以移动单个原子或分子,构造纳米结构,同时为科学家提供在纳米尺度上研究新现象、提出新理论的微小实验室。这是对物质科学探索而催生新工具,并因此开辟新领域的典型例子。

　　3.物质科学探索中的新发现奠定了诸多大科学工程的基础,同时大科学装置的应用也对物质科学的深入研究和新技术应用产生了重要影响。

　　1947年科学家研究发现高速荷电粒子在速度改变时放出电磁辐射,即所谓同步辐射。到了20世纪70年代,同步辐射作为一种特殊光源开始得到应用。同步辐射大科学工程为当代科学几乎所有的前沿科学研究和应用研究提供了一个先进的、不可替代的实验平台,依托同步辐射进行的研究产生过5项诺贝尔奖。同步辐射的建设不但推动了高能物理及相关领域的基础研究,还有力带动了相关高技术产业的发展,促进了计算机、探测技术、医用加速器、辐照加速器和工业CT等产业的技术进步,产生了巨大的经济和社会效益。1988年10月24日,邓小平同志视察中国科学院高能所北京正负电子对撞机时指出:“过去也好,今天也好,将来也好,中国必须发展自己的高科技,在世界高科技领域占有一席之地。”中美高能会谈,20多年来不仅是中美科技合作的重要渠道,也是特定历史条件下外交沟通的重要渠道。互联网技术最早由高能所引入中国,高能物理研究也是我国互联网发展的源初推力。1991年5月30日,中美科学家为高能所设计了国际计算机联网的手绘路线图。