科技创新的类型和程度——基于百年诺贝尔物理学奖的考察和分析，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,科技创新论文,程度论文,类型论文,物理学奖论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：G304 文献标识码：A 文章编号：1003-4978(2005)01-0105-06
科学进步的本质在于创新。科技创新的具体形式多种多样，创新的程度有大有小，对此我们可以从多个角度进行分类和考察。本文以百年诺贝尔物理学奖[1-3]为例，进行了有关分类和考察（参见附录），并形成了创新矩阵，尝试从一个侧面深化对于科技创新的理解。
1 创新的类型
根据创新的知识载体，可以考虑把科技创新分成概念创新、理论创新、发明创新和实验现象创新几类。
1.1 概念创新
概念指的是在头脑里所形成的反映对象的本质属性的思维形式。把所感知的事物的共同本质特点抽象出来，加以概括，就成为概念。
概念创新即包括新的概念的提出（例如“量子”概念），也包括将原有概念用于新的学科、方向中去，即概念内涵深化、外延扩大（例如将创新一词用于理论创新、体制创新中，本身就是一种概念创新）。新的概念的提出大致有这么几种作用：
一是解决旧的理论和新的实验现象之间的矛盾，从而推动科学技术的发展。例如“量子”概念，它解决了经典物理学对黑体辐射解释上的困难。在此基础上发展起来的量子力学从根本上改变了物理学的面貌，大大促进了利学和人类社会的发展。
二是解决几个旧的理论之间的矛盾。例如“光子”概念，它解决了原有的光的微粒说和波动说之间的矛盾，圆满地解释了光的各种现象。
三是用来描述一类具有相同内涵的事物，以促进相关学科的发展。例如德热纳抓住了液晶、高分子聚合物、胶体等物质的相同属性，提出了“软物质”的概念，有力促进了液晶物理学这一新兴交叉学科的发展。
通过对诺贝尔物理学奖的统计，其中概念创新至少包括普朗克提出的“量子”概念(1918)、爱因斯坦提出的“光子”概念(1921)、德布罗意提出的“物质波”概念(1929)、维格纳提出的“核力”概念(1963)、盖尔曼提出的“夸克”概念(1969)、卡皮察提出的“超流”概念(1978)、德热纳提出的“软物质”概念(1991)这7个。
1.2 理论创新
理论指的是利用推测、演绎、抽象或综合等方法而得出的对某一个或某一类对象的本质、作用、原因或规律的表述。理论创新常见的形式包括公式方程、规则、定律、原理、模型等。多个理论形成一个系统化的知识体系，则能成为一门学科。
诺贝尔物理学奖中的理论创新较多。例如，以公式方程形式出现的有范德瓦尔斯方程(1910)、维恩公式(1911)、布喇格方程(1915)等；以规则形式出现的有费因曼规则(1965)；以定律形式出现的有李普曼干涉定律(1908)、光电效应定律(1921)、里查逊定律(1928)等；以原理形式出现的有泡利不相容原理(1945)、对称性原理(1963)等：以模型形式出现的有夸克模型(1969)、原子核集体模型(1975)等；还有以学科形式出现的X射线晶体学(1915)、矩阵力学(1932)、波动力学(1933)、磁流体动力学(1970)等。需要指出的是，理论创新往往是以多种表现形式综合体现出来的，即一种理论创新同时具有公式、原理、模型等多种表现形式。本文的统计中，诺贝尔物理学奖中的理论创新大致有49个。
概念创新往往伴随着理论创新，在新的概念建立的基础上才能建立新的学科和新的科学理论体系。但并不是每一个理论创新均需要概念创新，在现有概念的基础上也可以创造新的理论来解释实验现象。
1.3 发明创新
发明指的是创造出新事物或者新方法。发明创新可分成两类；一类是方法创新，另一类是事物创新。
方法是研究和解决问题的工具，可以为人们认识事物的本质和规律提供有效的措施和手段。这种研究、解决问题的工具可以是抽象的方法，例如李普曼提出的彩色照片干涉法(1908)，鲍威尔提出的照相乳胶记录法(1950)等；另一方面，方法也可以具体化成为一种仪器，例如迈克尔逊发明的迈克尔逊干涉仪(1907)、威尔逊发明的威尔逊云室(1927)、劳伦斯发明的回旋加速器(1939)、格拉泽发明的气泡室(1960)、布罗克豪斯发明的三轴晶体谱仪(1994)等。
事物是指客观存在的物体，每一种事物都有一个名称。上面提到的仪器的创新其实也是一种事物创新，此外，在诺贝尔物理学奖的历史上还有如下5个重要的事物创新：马可尼、布劳恩发明的无线电报(1909)；肖克利、巴丁、布喇顿发明的晶体管(1956)；汤斯、巴索夫、普罗霍罗夫发明的微波激射器(1964)并最终导致激光器的发明；阿尔费罗夫、克勒默发明的异质结晶体管(2000)；基尔比发明的集成电路(2000)。这些新事物诞生对科技的进步以及人类的生活产生了极大的影响。例如晶体管的发明揭开了微电子学和微电子技术的新序幕，导致了信息时代的来临。
诺贝尔物理学奖中的发明创新也比较多，其中的一些发明创新也伴随着理论创新，例如基于李普曼干涉定律，李普曼发明了彩色照片干涉法(1908)、基于晶体管效应，肖克利、巴丁、布喇顿发明了晶体管(1956)等，其他的一些发明创新则基于原有的理论，但根据具体的问题提出了新的方法。本文的统计中，诺贝尔物理学奖中的发明创新大致有37个。
1.4 实验创新
实验是指人们根据一定的研究任务和目的，通过科学仪器、设备等物质手段，人为地进行的一系列操作或活动。
实验创新大致有如下几类：
一是通过实验，发现了新物质，例如X射线的发现(1901)、氩的发现(1904)、中子的发现(1935)、反质子的发现(1959)、J/Ψ粒子的发现(1976)、中微子的发现(1995)等。
二是通过实验，在已有的物质上发现了新的物理现象，例如发现X射线在晶体中的衍射(1914)、发现电子与原子碰撞的规律(1925)、发现晶体对电子的衍射现象(1937)、发现有关氢光谱的精细结构(1955)、发现复合宇称CP不守恒(1980)等。
三是提高原有实验的精度，如测量基本电荷(1923)、精密测定电子磁矩(1955)等。
实验创新在诺贝尔物理学奖中是最多的，本文的统计中，诺贝尔物理学奖中的发明创新大致有58个。
图1总结了上述描述，括号中的数表示在诺贝尔物理学奖中此类创新的数量。1901～2003年间，诺贝尔物理学奖共颁发了97次（有6年没有颁发），其中有19次颁发给了两个项目，共颁发给116个项目。其中有一些项目的获奖原因可以同时归入几类中。附录中详细给出了本文对这些项目的分类情况，其中的圆圈对应各个项目所属的类别，对于可同时归入几类的项目则用多个圆圈分别表示。
图1 科技创新的各种类型
2 创新的程度
创新也可以按照需要解决问题的难度（换言之，创新程度）进行划分，本文的划分如下：
2.1 新学科创新
即完全开创一个新的学科或者一个学科中的新的方向。爱因斯坦创立相对论、海森堡创立量子力学等就是这个方面的典型代表。
2.2 开创性问题创新
这类创新就某个学科中的前沿性问题提出自己的解决方法。这既可以是对已有的理论（假设）问题进行实验验证；也可以是对现有的实验现象进行理论解释。前沿性问题指的是一个学科的基石，这些问题的解决往往会改变人们当前对某一事物的看法、观念，足以引导或者改变学科的发展方向[4，5]。例如杨振宁、李政道发现弱相互作用下宇称不守恒现象，以及吴健雄等人为验证这个理论而作的极化钻核的衰变实验。这个发现打破了长期以来人们把与对称性相应的各种守恒定律视为普遍原理的这一观念，从而大大促进了基本粒子的研究。
2.3 常规性问题创新
在库恩意义上的已有的学科范式中，就某个学科中的一般性问题提出自己的解决方法。所谓的常规问题或一般性问题是指前面所说的前沿性问题的一些直接推论性问题，这些问题的解答符合人们当前对这类问题的认识，因此不会对学科的发展方向产生重大影响，但是能够推动学科的不断进步。我们进行科研过程中阅读的绝大多数论文都属于这种创新，这类创新成果通常可以发表在较好的期刊上。
2.4 新方式创新
总体上，这也属于常规问题的范畴。这里特指换一个方法、角度来解决前人已经解决的问题。这种创新也是大量存在的，有助于人们更深刻地理解某一问题或更简便地解决某一问题。作为常规问题的范畴，这里的关键是在于这种新的方法是否带来了新的特性（例如测量精度、测量时间、操作方便性、成本等等）：如果有新的特性，属于其中相对创新程度比较大的，而如果没有仅仅是方法的新，但是没有任何新的特性，则中其中创新程度相对小的。总体上看，这类创新也常见于各类期刊中。
一般来说，这四类创新越往前面，已知的知识就越少，未知的知识就越多，完成的难度就越大。但由于科学具有不确定性，这里的难度也只是一个统计意义下的难度。
3 创新矩阵
将“创新的类型”与“创新的程度”两者结合起来，可以形成一个创新矩阵（参见如表1），其中矩阵的每一行代表创新的知识载体，而每一列代表创新的程度。
通过创新矩阵可以直观地描述创新工作的基本情况，这对判断一个工作的创新之处提供了一个简明的方法。同时，创新矩阵对科研选题或科研成果的评估也有一定的指导意义，即可以根据具体情况为科研选题提出一个初始目标或为科研成果的评估提供一个参考。
运用以上分析，这里具体考察了一篇博士论文，认为其创新点大致有如下四个（如表1中的A，B，C，D）。
A：研究目标是光纤光栅传感器在外差干涉仪解调下的噪声特性。研究光器件噪声的主要工具是统计光学，人们已经利用统计光学分析了一些光器件的噪声特性，但是外差干涉仪下光纤光栅传感器的噪声特性还没有人分析过，因此就直接使用统计光学分析这个问题，最终得到了在这种情况下噪声分布的理论公式，同时还进行了实验研究来验证所得到的理论公式。简单地说，即利用了已有的工具来分析一个未知事物的性质，由于这个未知事物的性质可以预测（即和一些已知事物的性质是相类似的），因此这个工作属于对常规性问题的解决。
B：研究目标是提高光纤光栅传感网络中传感器的数量。为此引入了在信号处理领域中常用的各种优化算法（如遗传算法），即使用新的方法来处理光纤传感器网络，最终提高了传感器的数量，这个工作也属于对常规性问题的解决；同时也进行了实验的验证。
C：研究目标是用新的方法研制一个测量光纤光栅传感器动态信号的仪器（动态信号分析仪）。由于已经有许多方法用于这个目的，这里所采取的方法只是这些方法中的一个，并且没有带来新优点，只是使用了新的方法，因此归在新方式问题这一类创新中。
表1 创新矩阵及关于该博士论文的考察
新学科
开创性问题
常规性问题 新途径问题
理论 A
发明 B D
C
实验 A B D C
D：研究目的是进行光纤光栅非均匀应变的解调。这个问题也是一个已解决的问题，这里使用了一种新的方法，由于在解决过程中首次定量地描述了这种方法在理论上的解调误差，为今后使用这种方法进行实际工作提供了一个参考准则，这是一个新的特性，因此可将此工作归到常规问题中去。
收稿日期：2004-11-25
附录 诺贝尔物理学奖得奖原因统计
（资料来源：1901～2000年，文献[1，2]；2001～2002年，文献[1]；2003年，文献[3]）
