许谷院士：谈科研创新的四项基本原则
发布时间:2019-08-14
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今天，我为大家推荐加拿大麦克马斯特（McMaster）大学许谷教授的一篇文章。许谷教授既是我的学长又是我三十多年的好朋友。1989年我们相识于麦克马斯特大学时，我还是正在攻读博士的学生，他则是从美国获得两个博士学位（分别是匹茨堡大学与哥伦比亚大学）后来到该大学任教的助理教授了。他在高分子燃料电池、纳米结构与有机光电研究中做成卓越贡献，由此于2015年荣获加拿大工程院院士称号。该文仅是他几年前发表个人图书《科研创新：科学问题的判据及科研论文的“套路”》中的一个附录。当初发表时我也阅读过全书并为其中许多独到见解而受启发与激励。最近重拾该文阅读，有了更为深刻的体会。特别认同他提出“大学实际上是整个社会领航船”的见解，这不正是对当下国家从上到下都十分关注而焦虑的创新社会发展问题的一种创新解答吗？我建议读者最好是上网阅读他全书的内容，从而获取完整的相关思想与观点。 虽然许谷教授本人从事材料科学与工程研究，但是他的见解对从事工程类型科研工作人员都具有一般意义，且十分深刻。比如第一章中关于“区分科学问题与工程问题”的内容。这是从事工程类型科研工作人员中普遍存在的问题，我本人也把握不好，曾将工程问题列为科学问题。他的许多分析见解是深入浅出，针砭时弊，对症下药，一针见血而引起我的共鸣。阅读他的全书对于那些有志于人生中期望创造知识的工作人员而言会是极为有益的激励。至少我本人是从中得到这样的感悟：工程问题要做好，但是一生总要尝试去创造科学知识，越早越好。
科研创新的四项基本原则
随着我们国家发展到一定阶段，创新，尤其是科学与技术的创新被提到几乎是最高的位置。
这样做的必要性可以从国家的科学发展报告里得到印证。首先，科技创新是后发国家最重要的事情。韩国在五十年代比中国要穷，日本当时跟中国的GDP 差不多，年人均大概在90 多美元，而韩国只有它的2/3。但是经过 40 多年的发展，韩国今天已经达到 3 万美元。美国作为世界的标杆是 5 万多美元，台湾大概是 2 万多，香港 3 万多。而我们大陆今年可能到八九千，北上广深肯定是超过 1 万。这些当然只是从数字上看。除了韩国，正面的例子还有芬兰。在上世纪80 年代，及时把握无线通讯技术的发展机遇，大力发展通讯产业，成为世界上最具竞争力的国家之一。也有一些国家成为反面的教训，像拉丁美洲，阿根廷、墨西哥等等。尤其是阿根廷，在 50 年前非常富裕。布宜诺斯艾利斯的建筑绝对不比上海的要差。他们到达过1 万多美元的人均 GDP, 但是现在退到了 1 万以下。墨西哥也曾经到达了 1 万，又退到了几千，然后再慢慢的爬回去。这就是因为他们只靠本国的资源优势，包括劳动力。这些都是要过时的。但同时过度依赖外国资本和技术，忽视自主创新。当然他们也试图创新，花了很多钱建立了世界上最大的墨西哥国立大学。27 万学生，就像一个城市。然而并没有达到目的。
在“2007 年科学发展报告”中也提到，我国的关键技术自给率比较低。各位可以到大公司去看看，差不多都是进口的。尤其是高端的设备几乎没有一样不是进口的。发明专利总量 2007 年排名世界第 8 位。现在好一些了。论文总数现在已经排到了第二位。引用频次也有提高。
但最关键的还不是这些数字，我觉得最关键的是原创率。我们的论文大多数都是“炒菜”型的。人家发现了这个菜，我们去加点盐，放点油，然后再炒一次，并不是原创型的。从这个角度来讲，所有领域的开创性的东西还都是在国外。国内的绝大部分还是跟在人家屁股后面，就是换油换盐，或者把两盆菜放在一起再炒一次。
因此，我们希望探讨一下别人做科研创新时所遵从的一些基本原则，也就是所谓四条基本原则。这个是在九十年代，美国科学促进会召集了一批诺贝尔奖级精英总结出来的，其重要性不言而喻。
第一是要“结合基础研究与应用研究”。这句话不是说说而已，这句话要真正做到非常困难。常常听人讲，“我是搞基础的＂。另外一个说“我是搞应用的”。做应用的人瞧不起基础，做基础的更瞧不起做应用的。这一切都是创新的障碍。一定要真正地结合。后面会通过举例子让大家看到，没有一样创新可以单独只限在基础研究方面。因为最基础的那些东西包括物理化学早就基本做完了。甚至于生化的一些最基本的东西，DNA 等也都已经搞得很清楚了。但是，搞应用的人若不涉及基础，就只能跟在人家屁股后面炒菜，甚至于连炒菜都算不上。所以这一条极其重要，放在第一。
第二要“综合各个领域”，这一句大家更是耳熟能详了。怎么综合呢？这又是一个很大的问题。希望大家能够结成一个团队，真正的去把各个领域融会贯通。但是做到这一点非常困难。尤其是作为领军人物，要能够跨领域跨行业，知道很多基础都是相连相通的。这也跟我们的教育有关，长期以来被苏联的教育系统不止搞坏了一代人，甚至于到现在都还是如此。我们的大学名称本身就是一个反例。国外的大学，凡是一个大学就是综合性的。并没有什么“海事大学”、“中医大学”、“航空航天大学”。是大学就应该什么都有，而不是细分成各个领域。
第三是要有充沛的时间。充沛的时间不是说可以无限制地做下去，而是指不要有一个“催命”的时间表。从这个角度讲，你按计划做出来的东西不叫科学研究。计划连经济都不行，研究更不行。
第四是要超越常规。各位肯定深有体会，尤其是在国内条条框框太多，西方好一点，但还是需要经常地打破常规，才能做到科研创新。
所以这个四项基本原则在全世界任何地方，甚至在美国，都很难保证随时随地能实现。正因如此，创新就变得尤其难。我的意思是指真正的创新，不是炒菜。尤其是科研创新，那是难上加难。也正因为如此，你天天看的绝大部分论文，都是跟着人家后面。真正的创新，一眼望去，不管它发表在哪个杂志，放在什么地方，是个人都能看得出来。
这几条原则还须稍微详细地作些讨论，要用一些具体的例子作说明。
第一是要基础研究和应用研究相结合。这就先要问什么叫创新？创新首先是知识的创新。不是说人家有了原子弹，我也想方设法去造了个原子弹，这个不叫创新。虽然很伤感情，但是我们要把道理搞明白。知识的创新才是真正的创新。没有新的知识就没有超越常规的新应用。这里的一个正面的例子是高温超导的发现。高温超导在1987年一下子轰动了全世界。现在大家都知道高温超导已经很成熟了，甚至于变成了一个产业。高温超导很快就得了诺贝尔奖。高温超导是在陶瓷系统里面发现的。大家读中学时就知道陶瓷是个绝缘体，高压电线都用陶瓷相隔。既然是个绝缘体，连普通导电都谈不上，怎么想到做超导呢？原因就是，欧美的本科是一个通才教育，他们的知识面相当的广。做出这个科研创新的两人是在瑞士的IBM, 他们又没有任何常规的任务，就扯到了陶瓷上面。当然中间是经过了很长的过程。这个例子给整个科学界非常大的震撼。那么多人搞超导，搞来搞去才 20 几度。在合金上面拼命地炒菜，炒了近 70 年没有大的进展，最高温度只到了 23 度。而他们那个系统一下子被后人发扬光大到了液氮的温度，就是七十七度。所以这个是非常好的正面例子，科研创新的最重要的例子之一。从原本绝缘的材料到发现它的高温超导特性，需要对各个学科和领域都有所了解。尤其重要的是，要跨越“基础”与“应用”之间的鸿沟。如果只是局限在“基础”或者“应用”之内，是无法打破这个思维局限，取得这个重大突破的。
同时我们也可以看到相反的例子。新加坡从高中开始，学物理的人不学数学跟化学，学化学的人不读物理和数学，学数学的人不做物理跟化学。结果到了大学的工学院，数学就只是高中的水准，连微分方程都没法做。90 年代他们从美国请了一个新加坡人回去当了他们的大学校长，彻底改变这一切，才让国立大学在这短短几年的时间内变成了一个世界级的大学。什么东西都按美国的，把新加坡的那一套彻底改变。但是他们细分的科目就跟国内一样，已经根深蒂固。隔行如山，很难在一代人里面把它彻底消除。
第二个是要综合各个领域，各个领域要学科交叉。这里面尤其要强调的是数学物理这些基础。因为你没有办法，在各个部门分得很细，每人只知道自己眼下的一亩三分地的情况下，做到综合各个领域。在国外这个事情相对容易一些，因为一个大学的校园里面，很多时候是你的隔壁就有别的领域的专家。像我们一个楼里面有各种系的教授，就让你们混合在一起。而不是说某某系全在这一栋楼里面。我在哥伦比亚的时候，整个工学院就是一栋楼。若有问题，坐电梯就可以到另外一个什么系得到解决。这个就是一种学科交叉，大家可以打破门户之见，随时可以交流。
第三是充沛的时间。新发现往往需要非常长的时间，最重要的是你不知道什么时候能发现。假如可以设置详细的时间表，那就不可能是真正的新发现。这里有个很好的例子，就是二战当中磁控管的发明。大家知道珍珠港事件以后美国才全身投入战争。当时日本的舰队快到了眼前，美国才发现。怎么回事呢？当时的雷达是用长波的，稍微小一点的东西， 就“看”不见。其实不光是美国，英国德国都希望把雷达波长改短。雷达的原理在一战的时候就已经知道。但是因为当时的真空管里面电子来回需要较长时间，所以它的频率提不高。那怎么把电子管的频率提高，使得不要等飞机到了头顶才发现呢？小罗斯福总统把这个重大项目交给了麻省理工学院，成立了声名赫赫的＂辐射实验室”。因此麻省理工学院就变得很“牛”。他们先是拍胸脯说几个月就能解决问题，但搞了一年多还没有解决问题。这就是之前说的，真正的新发现不可能有时间表。但与此同时在英国，在德国飞机的轰炸下，有两个科学家在防空润里面居然做出了可以产生高频率的电子管。因为他们发现引入磁场以后，可以做到高频。总而言之，“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫＂。这就是一个很好的例子。这也就是为什么大学要实行终身教授制。你要让他有个保障，不要去催他，要给他充分的信任，要“养”着他。这些大学教授才会有可能做出真正的科研创新。除了少数的＂烂苹果”，大部分人是不会让大家失望的。
刚到麦克马斯特大学的时候，我们的教务长是哈佛的毕业生。曾说起当年， 哈佛大学招了一个年轻的助理教授。他干了近 30 年，居然没有写一篇文章。要是在麦克马斯特大学早就踢出去了，终身职肯定拿不到。但哈佛就有这个雅量让他继续做。等到了第 31 年的时候，终于出了一本书。而且很薄的一本书。从此以后，凡要研究这个方面的人，都得先读他这本书，这成了该领域的“圣经”。大家应该也听说过美丽心灵这个电影，讲的是普林斯顿大学的约翰·纳什的故事。哈佛和普林斯顿就有这样的雅量和耐心。这也就是为什么他们可以成为世界的顶尖学府。
第四个原则，超越常规。这个是一个很大的话题。我想根据基金申请当中的问题来谈，因为我在美国加拿大都曾参与了这方面的工作。美国最健康，加拿大稍微差一点。欧盟我也曾有机会观察过。我要谈的是，你要能随时调整方向。就是说你拿了钱，去做 A 问题，也就是你打算在A 上面发些论文。结果你做着做着发现，得到的结果不是 A, 而是 B 甚至于是 C。 这个时候你就必须要把你的方向调整过来。你的科学问题，必须改成 B 甚至于改成 C。这个时候你对科学的贡献其实要比你盯着 A 要大得多。给经费的人就应该有这个雅量让你去做 B 或者 C, 甚至要鼓励你去这样做。
前述这四项基本原则，其实是西方大部分科学家的共识。但似乎很少公开宣传，因为大家觉得这些是不言而喻，当然也有可能被认为是“武林秘籍”不可轻易示人。
作为我个人的一些观察与总结，上图展示了科研发展的一般规律。
横坐标是时间，可以是几年，甚至是几十年。横轴之上那个半弧是指论文发表的强度，即每年论文数。当然是从零开始，因为此前还没这个领域。拿有机发光器件来说，现在已有产品了。整个过程大概是二十几年。从 1987 年最早的文章开始。在九十年代初，刚当教授的那个时候，每年文章出产的数量很少，大概只有一两百。到了最高峰大概是 2000 年，每年有成千上万篇。之后又慢慢地降下来，但还是不断有人在做。与此同时，金钱的投入，是与之对应的，但处在横轴之下的这么一个曲线。从开始的大部分时间内，曲线都处在负的区域，因为要烧钱，肯定是负的。所以想要在几年中要收回科研成本，都是不太可能的事情。除非你是复制，而非真正的创新。从上图可以看到，投入的经费越来越多，出产的论文也越来越多。但这些钱全是“亏损”，它不可能给你创造任何的利润。一直到了右边的“交点”，金钱曲线才走到了横轴之上，开始盈利了。三星的一些手机就采用了有机发光显示屏。大家可以发现它的颜色和响应速度比液晶显示器要好很多。有机发光器件的电视机也已出现，很薄，可以弯成弧形。所以金钱曲线正在上升中，直到每家一台的时候……所以大概是这么一个过程。
其实任何东西的发明，发展，商业化都是这个过程。于是，每位在做各种项目的时候，都可以问一问自己的课题可能处在该曲线的哪一部分，那么你就大概知道，现在论文的发表强度，以及经费的申请情况。若是一个全新的东西，那就不可能申请到经费，因为在左端，曲线的开始处，论文数与金钱数都是零。这就告诉我们，一个领域的原创，第一篇论文，大多是由之前项目的余钱支持的。如果你这个东西处于中间偏左，或刚起步，还会有大量的科学问题。接近中间时就开始会有工程问题，而到了右边主要是技术的问题。科学、工程和技术，这三个大概可以从这个曲线反映出来。所以这是个大概的规律。时间轴也不一定是线性的。开始发展很慢，后面发展很快，一般都是指数型的。举个半导体的例子。半导体的三极管，是 1947 年在贝尔实验室发明的。50 年代才开始有三极管的成品 ， 60 年代开始有集成电路。自1995 年起在世界的范围内，电子工业超过了汽车工业，成为全球第一大工业。而且电子工业越来越大，人们的钱大部分都花在了电子产品上。电子产品还可以不断创造出新的应用来。手机、电脑是原来没有的，现在不但有，而且每几年就要更新换代。所以，从 1947 年到 60 年代，第一块集成电路，用了十几年。第一块集成电路到第一块个人电脑的 CPU, 又用了十几年。后面发展得越来越快。开始一定是科学家的事。最早做这些东西的一定不能在巨大压力之下。“重赏”之下不一定是“勇夫”，而很可能出来一些畸形的东西。因为很多东西要有基础，人家走了几十年的路程，你要赶鸭子上架，一下子要如何如何肯定不行，什么都得从头开始一步一步来。
实验室是真正支持创新的地方。到了产品的开发，大学就不要操心了。因为这个时候都应该转到工业界去了。像韩国的三星，日本的索尼。这些技术问题的解决，大都在公司里面完成。用不着在大学里面做这些东西。即使搞完了，在公司正式做产品时，还得重新再来一遍。每一个东西有它的地方。这就是为什么很多技术，在大学里面拼命做，但做完了以后没办法生产。最后的环节就是环境，必须强调搞出来之后不能对环境造成不可逆的影响。所以环境方面就是一个很大的挑战，可做的事情非常多。
大家从小就耳熟能详的一个说法是，“大学要走出去，和社会相结合，和产业结合，与经济生产挂钩＂。不一定。大学实际上是整个社会发展的领航船，社会上没有其他的机构可以像大学一样给整个国家，整个民族带来一个远景，给我们带来探索性、试验性的预见，让我们知道未来发展的方向。既然大学是领航船，就不能与大船，即整个社会，靠得太近。如果领航船就紧挨在大船之前，那么大船稍有晃动，领航船很有可能被倾覆。因此，领航船应该与大船保持距离，否则就无法真正地创新。
来源：德先生
作者：许谷教授，加拿大工程院院士、加拿大麦克马斯特大学材料科学与工程系终生教授。
责编：龙志阳 | 编辑：龙志阳
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