基础研究导致重大技术创新的类型与规律探讨，本文主要内容关键词为：技术创新论文,规律论文,类型论文,基础论文，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：F204 文献标识码：A 文章编号：1003-2053(2002)04-0337-06
19世纪末，特别是20世纪40年代以来，基础研究导致了一系列重大技术创新的产生，表明科学与技术的联系日益紧密。通过对近一个多世纪来典型重大技术创新的回顾与分析，我们发现，由基础研究导致的重大技术创新存在六种类型，其内在规律值得深入探讨。有关研究对具体科研工作及科研管理工作均有一定参考价值。
1 基础研究导致重大技术创新的类型
1.1 重要科学发现被直接应用于实际，从而形成重大技术创新
基础研究的主要目的是发现自然界的内在规律，因此，这种研究往往使科学家发现全新的自然现象、自然规律或自然事物。全新的现象常常具有全新的特性，它们是自然界某一特殊结构表现出的特殊功能，因而有时可以直接用于技术领域，从而产生重大技术创新成果。在科技史上，X射线、电磁波、电流磁效应等重大发现，就直接导致了X光照相术、无线通讯、雷达、有线电报等重大技术创新的产生。
(1)X光照相术。X射线是德国物理学家伦琴在研究阴极管放电现象（阴极射线）时偶然发现的。X射线的特点是：穿透性极强，故可将隐蔽在物质内部的东西曝光于感光胶片上。正是认识到X光的这一特性，伦琴才说服其妻子让他用X光给她的手照了一张相，底片上留下了清晰的手骨骼图象[1]。这是人类第一张X光相片，标志着人类利用X射线从此开始。伦琴关于X射线的发现及其妻子骨骼的照片公布后，在欧洲科学界引起巨大轰动。十几年后，第一次世界大战爆发，当时在巴黎从事放射性科研工作的居里夫人积极投入救治法国伤兵的工作，其所用的设备即是X光照相机。用它可以迅速确定伤兵体内弹片的准确位置，从而使外科大夫可以在较小刀口条件下及时取出弹片。这一措施使伤员出血减少，大大减轻了痛苦，同时还缩短了康复时间。
(2)无线电通讯。1888年德国物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦在理论上预言的电磁波，赫兹的实验同时表明，快速振荡的电火花产生的极高频率电磁波，可在远处的环型感应线圈上产生相同的电振荡[1]。根据上述原理，人们几乎马上可以进行无线电通讯。事实上，当时几位物理学家对接收器稍加改进后，赫兹的实验装置就在800米外接收到莫尔斯电码信号。随后，意大利工程师马可尼进一步改进了赫兹实验装置（增加天线和地线），于1896年实现14公里远距无线通讯，1898年实现跨越英吉利海峡的无线通讯，1901年则实现了跨大西洋的无线通讯。至此，无线通讯进入实用阶段，并对军事、商业、远洋运输和新闻传播等产生了巨大影响。
(3)贮氢电池。20世纪90年代初，美国科学家开始在外太空失重条件下进行长链分子的形成规律研究，但他们却意外地发现了第三种碳分子结构，它由60个碳原子组成，外形如一足球，内部中空，是人类已知的形状最圆最对称的大分子。由于其外形与美国建筑师巴克明斯特·富勒(R.Buckminster Fuller)设计的网络球顶建筑相似，故将其称为巴克明斯特富勒烯(Buckminster-fullerene)，也有人称其为“巴基球”(Buckyballs)[2]。碳60具有非常独特的性质：硬度比已知的金刚石要高得多，可耐受外层空间的极端高温或低温。同时，碳60具有极强的贮氢能力，且可与元素周期表中的任一元素发生化学反应。尤为重要的是，碳60还可与聚合反应中的关键物质——自由基产生反应。依据碳60上述的优异性质，科学家几乎可以马上将其应用于下述技术创新项目中：氢燃料电池（作为未来无污染电动汽车的关键设备）、切削工具、工业催化剂、新型集成电路掩膜板材料（指碳70，其性能比目前采用的金刚石掩膜优越许多）。其它应用还在进一步研究中。
另外，像电流磁效应、液晶、超导、超声波、发光塑料等的发现，也都导致了重大技术创新的产生。
1.2 新发现成为解决过去技术难关的关键环节，进而导致重大技术创新
在技术史中，有些重大技术创新往往经过相当长时间的艰苦探索后仍无法突破，此时，一项科学发现却使探索者一下子找到实现技术创新的关键环节，从而完成发明。
(1)植物基因工程。自1972年美国遗传学家史密斯发现限制性核酸内切酶后，动物基因工程技术就达到实用阶段。遗传学家可用各种内切酶将所需的动物基因片断截取下来，再通过载体转移到受体（如大肠杆菌）中，以获取特殊的生物产品。和动物基因工程相比，植物基因工程的实现却显得十分困难，因为遗传学家在80年代之前一直找不到合适的基因载体（内切酶对植物基因无效）将需要表达的目的基因转移到某种植物中，以形成新品种。1981年，美国科学家对一种可引起一万多种植物发生冠瘿病（Gall disease，也称根癌）的土壤农杆菌进行癌症发生模式的基础研究（主要针对医学领域）。在此之前，大多数学者认为根癌问题无多大研究价值，因为土壤农杆菌虽能感染一些植物，但它对粮食作物却无影响，当美国科学家弄清土壤农杆菌感染植物的方式后，他们惊奇地发现，这种杆菌恰是目的基因的良好载体，它可以轻松地将目的基因转移到植物中。其具体机理是，农杆菌将能引起菌瘿的遗传物质保存在自己DNA的一个环状物或质粒上，当它侵入某植物细胞后，其DNA的一个片段就并入该植物细胞的染色体内，结果就引发植物根癌病。科学家只需将上述引发根癌的DNA片段“剪下”，用另外的目的基因代替，然后让带有此种新基因的农杆菌感染某植物，这种植物长大后就具有新基因的特性。利用这种技术，美国科学家已成功培育出抗腐烂的西红柿、抗虫棉等一大批转基因农产品，并推向市场[2]。由于棉花是美国农药用量最大的作物，因此抗虫棉的推广将大大减轻环境污染并降低棉花成本。
(2)杂交水稻。1964年6月，袁隆平首次在大田里观察到一例水稻天然雄性不育株，这促使袁隆平开始从事杂交水稻研究。由于已看到的雄性不育株是非野生的，因而其并无遗传基因上的优势。为了实现杂交，必须找到天然野生的雄性不育株，而这无异于大海捞针。因为水稻已被种植上千年，野生稻几乎在地球上不存在了。经过约7年的艰苦寻找和探索，袁隆平负责的研究组成员李必湖于1970年11月在海南崖县终于发现了一株野生花粉败育的雄性不育稻株，从而为培育杂交水稻品种开辟了道路[3]。1973年，袁隆平在世界上首次成功培育出强优势杂交水稻。该成果荣获1981年国家发明特等奖，2001年袁隆平本人又获国家最高科学技术奖。
另外，青霉菌、细胞周期蛋白质、限制性核酸内切酶、DNA复制、蝴蝶翅面鳞片防晒功能（仿生研究）等的发现，均成为解决相关重大技术创新难点的关键。
1.3 理论成果的应用形成全新技术原理，从而引发重大技术创新
基础研究的特点之一，是其理论的超前性。在科技史上，理论研究上的进展往往揭示出客观事物的特殊规律，从而形成全新技术原理，经开发研究最终导致重大技术创新的产生。值得注意的是，这种类型的重大技术创新，往往难度很大，耗时较长。
(1)原子弹。原子弹的技术原理是重核放射性元素如铀依据动质量、钚等发生持续裂变（链式反应），当达到临界体积时就产生剧烈爆炸。在此过程中，质量发生亏损，亏损部分的质量转化成了能量。原子弹爆炸的原理源于爱因斯坦狭义相对论的质能方程E=mc[2]（或ΔE=Δm·c[2]）。1905年，爱因斯坦在《论动体的电动力学》中提出了狭义相对论理论。他由牛顿力学中动能的定义，依据其新时空观和运动质量增大等结论，推出了这一著名质能方程。该公式表明，所有能量均来自质量，质量与能量是可以相互转化的。爱氏预言，质能互变现象最有可能在重核原子蜕变为轻核原子过程中观察到。1939年，德国物理家家哈恩(O.Hahn)在做中子轰击铀的实验中，发现了铀核裂变反应，从而验证了爱氏的预言。哈恩的实验结果公布后，一些物理学家马上想到可用该原理制造威力巨大的原子弹。由于担心希特勒正在研制原子弹，因此，物理学家西拉德(L.Szilard)、威格纳(E.P.Wigner)和特勒(E.Teller)请爱因斯坦给罗斯福总统写信，敦促美国立即开展研制原子弹工作。1945年7月，美国成功试爆了原子弹。并于同年8月6日和9日分别投向广岛和长崎，造成大量人员伤亡。
(2)晶体管。电子技术中最重要的发明之一——晶体管是在量子力学理论揭示出固体中电子的运动规律基础上发明的。1931年，美籍英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson)用量子力学原理提出了半导体能带模型理论。随后，前苏联物理学家费朗克尔（Я．И．ФреНКель）提出半导体的“激子”概念，并于1935年建立了固体中光致电的理论。至此，晶体管的理论基础确立了。运用上述理论揭示的原理，科学家得出，通过直接控制固体（如硅单晶或锗单晶）中电子的运动，实现信号的放大、整流和振荡，从而制出晶体管，则其性能要比电子管优越得多。因为电子管工作时要先消耗一部分能量用于从固体打出电子流，然后再控制，因而能耗较大。同时，电子管重量大，怕震动。1947年，美国贝尔实验室主任巴丁(J.Bardeen)、肖克莱(W.B.Shockley)和布拉坦(W.H.Rrattain)在上述理论成果基础上开始进行晶体管的实验与研制工作。同年12月23日，他们试验成功“点接触型”晶体管，功率可放大18倍[4]。
以上述方式产生的重大技术创新有许多，如激光器、电子计算机、CT（计算机断层图像仪）、电子显微镜、全息照相技术、夜视仪、隐形飞机等等。
1.4 实验仪器（设备）被应用于专业技术中，并成为核心装置，从而带来重大技术创新
在基础研究中，科学家往往利用自己或委托其它企业（或个人）研制的特殊仪器（设备）对自然现象进行探索或对理论预言进行检验，如克鲁克斯真空管、回旋加速器、麦克尔逊·莫雷关于“以太零结果”实验中的干涉仪等等。人们一般认为，实验仪器（设备）等作为工具只用于研究过程中，其本身并不作为创新成果的组成部分。但当代技术开发的实践却表明，有的实验仪器（设备）作为核心装置应用于专业技术后，导致了极为重要的技术创新。
(1)GPS卫星定位系统。GPS是英文Global Positioning Sytem（全球定位系统）的缩写，它能使用户确定自己在地球上任一地点的位置和高度，其误差小于9.14米。GPS在军事和民用领域有广泛的应用，海湾战争中，美军士兵均携带有GPS接收机，因而保证了他们在毫无参照物的茫茫沙漠中顺利行动和作战。目前，GPS已在导航领域发挥重要作用。1993年，美国一架完全依靠GPS导航的飞机成功降落在华盛顿机场，这表明GPS将对空中导航和预防飞机相撞产生重大影响。GPS定位系统的原理，是采用24颗定位卫星按精确的的预定轨道每12小时绕地球一周。地球上任一地点的用户在任一时刻都能收到其中某几颗卫星发出的信号。每一颗卫星上都装有一个高度精确的原子钟（误差为每年不超过百万分之一秒）。作为核心装置，原子钟的作用是发送时间信号，用户接收机对来自几颗卫星的时间信号进行比较，然后自动算出准确的位置数值。这里的关键技术——原子钟，原本是物理学家为验证爱因斯坦相对论关于运动时钟变慢的预言而设计的实验仪器。当时，超精确时钟在物理学实验之外似乎没什么应用的可能。但随着技术系统综合化、集成化趋势的加强，原子钟终于在卫星定位系统中找到了自己的位置。目前，全球有160多家企业在开发以GPS为基础的特种应用技术，诸如紧急救护（确定被救者准确位置）、汽车防盗跟踪装置、旅游探险用廉价接收机等，其市场容量高达数十亿美元。
(2)核磁共振成像技术。核磁共振成像技术用于医疗领域，可检查人体组织内部，如脑、腹部的病变情况。由于其比CT机（用X射线）安全，因而日益受到医学界重视。核磁共振成像技术的关键装置——核磁共振仪，最初是化学家用来区分物质中不同原子以及相邻原子间相互作用的一种实验仪器。其原理是根据原子在强磁场作用下，自身会像个小磁体一样整齐排列起来（如同指南针在磁场中的行为一样），这时如再有一个横向的交流脉冲磁场作用于这些原子，则它们就会产生共振。由于不同原子的共振频率不同，因而化学家就可以据此作出区分。核磁共振成像技术利用上述仪器，将接收到的某种原子共振用反演计算方法就可得到各断层该种原子的分布状况，从而显示出核磁共振断层图”[5]。核磁共振成像技术可在不损伤人体组织的情况下，得到其内部的准确图象，医疗诊断价值极大。
1.5 基础研究为解决技术创新中的难题提供理论基础，最终完成重大技术创新
随着现代技术开发的复杂性及难度的增加，重大技术创新活动过程中，往往需要解决许多相关的基础理论问题。这些问题由于定向性强，平时科学家很难列入课题中（无经费来源也是原因之一），但它们对重大技术创新的成功实现起着基础支撑作用，因而其意义及价值很大。“二战”以来，火箭、导弹的研制与改进及“阿波罗”登月计划都存在这种情况。
(1)火箭。运载火箭是发展空间技术的关键技术，因为无论发射卫星、飞船还是实现登月，火箭是必不可少的运载工具。“二战”之后，前苏联与美国在空间领域进行了激烈的角逐。初期，前苏联由于在火箭技术方面领先于美国，因而于1957年10月4日首次成功发射了人类第一颗人造地球卫星。前苏联为了研制成功推力强大的火箭，对空间技术的理论基础进行了扎实的研究，在跨高速和超音速空气动力学以及波动力学理论方面取得了一系列重要成果。同时，前苏联还对金属物理学、热物理学、地球物理学、化学和计算机科学等领域也进行了深入的定向基础研究，从而为研制火箭和发射人造卫星奠定了可靠的理论基础[4]。
(2)导弹自动控制。随着导弹速度的迅速提高以及导弹自身内部装置的日益复杂，其自动控制问题愈显突出。但在自适应控制理论建立之前，导弹自动控制技术一直未获重大突破。二十世纪70年代，瑞典学者奥斯特隆姆(K.J.Astrom)在美国麻省理工学院怀特克(Whitaker)自适应控制方法以及其他学者建立的随机过程理论、卡尔曼滤波理论和系统辨识方法等成果的基础上，对多变量线性系统、随机控制过程、自适应控制等进行了深入、综合的研究，取得了重要成果，从而为导弹自动控制和惯性导航技术的重大突破奠定了坚实的基础[1]。
1.6 数学手段的提高创造出过去技术原理的实现条件，进而导致重大技术创新
在现代技术创新活动中，数学作为一种工具和手段起着十分重要的作用。在历史上，有些技术原理就是在数学（含算法）上取得突破后才实现的。
(1)超声断层成像技术。X射线计算机断层成像技术(CT)于1972年产生后，科学家又想到用超声代替X射线来研制超声断层成像仪，其技术原理与前者完全一样，且也用“反向投射”算法对大量数据进行计算。但实际结果是，超声断层图像远没有CT图像清晰。其原因在于超声波遇到人体内部组织后，会产生衍射或散射现象，这就使“反向投射”算法的原始数据失真，从而导致图像模糊。解决这一问题的关键是发明一种新算法使失真的数据恢复。1983年物理学家德凡尼创造性地提出了“过滤反向传播”算法，使得衍射或散射的超声波重新聚焦（实质上是数据聚焦，相当于未发生衍射或散射）[5]。用此新算法后，超声断层图像的清晰度超过了CT图像。德凡尼的成就就誉为八十年代物理学的“重要发展之一”。
(2)大型水坝设计。建造大型水坝需对一组复杂的偏微分方程组进行求解并得出有效的算法，然后再编制程序利用计算机求解。偏微分方程组是依据实践形成的技术原理获得的。过去在算法方面一直没有找到合适的方法，因此对大型水坝的设计工作（当然也包括其它领域的大型工程设计问题）产生了影响。1965年，中国科学院计算中心冯康研究员创造性的提出了基于变分原理的差分方法，即有限元方法。该方法具有算法单纯性、特征保持性和灵活适应性三个突出优点，因而对复杂的工程计算问题极为有效，使得大量过去已列出方程但用普通计算方法难以获得准确可靠数据的工程设计问题得到有效解决，从而带来一系列工程领域的创新成果。有关学者认为，有限元法“促进了工程计算的革命[3]。冯康的成果荣获1982年度国家自然科学二等奖。
另外，像动态规划法与极大值原理、最优控制论等数学工具的提出和完善，分别为火箭的准确运行、自动武器与飞行器的最优控制等问题的解决提供了条件，从而引发相关技术的重大创新。
2 基础研究导致重大技术创新的规律探讨
二十世纪以来，科学技术化、技术科学化的趋势日益明显。科学与技术作为一个有机整体，互相促进、互相推动，大大加快了科技发展的速度。从基础研究导致重大技术创新的类型分析中，我们可以总结出如下若干规律。
(1)基础研究初始虽无明确应用目的，或看不出有何应用前景，但其重要发现（不少是偶然做出的）却可能形成重大技术创新或成为解决其它技术创新中难关的关键。因此，必须对科技前沿领域保持足够和持续的人、财、物投入，这样才有可能在科技前沿领域实现突破。
正是考虑到上述规律的作用，当前美、日、欧盟等均高度重视基础研究工作。美国政府在1994年公布的政策文件——《科学与国家利益》(Science in the National Interest)中明确指出，今后将增加对基础研究的投资预算。同时，为鼓励产业界对基础研究进行投入，美国政府还拟将“研究和实验减免税计划”永久化。美国加强基础研究工作的目的，是想保持其在所有基础科学、数学和工程学领域的世界领先地位。该文件还通过实例来说明基础研究的重要性，以寻求美国国会和公众对基础研究工作的支持（美国拟将R&D经费占GDP的比例由2.6%提高到3%）。
我国是发展中国家，还无足够的经济实力对所有领域的基础研究进行全方位支持，只能采取“有所为，有所不为”的策略。但必须对带头学科的前沿科学领域保持足够的投入，以求有所发现、有所创新，或能对别国做出的关键性发现有力量进行更深入的探索与应用研究，最终实现技术创新。
(2)许多重大科学发现往往是偶然产生的，这要求基础研究的科研管理工作有较高的宽松度和灵活性。
从科研实践中看，不少重大发现都超出了课题的初始研究目标，具有偶然获得的特点。因此，对基础研究课题的管理应允许有一定的弹性和自由度，而不应完全按照预定的计划、程序等死板执行。在课题评价、研究目标、经费控制等方面应给予科学家一定自主权，以便依据科研具体情况酌情调整。
(3)现当代多数重大的技术创新，都是在科学理论形成全新技术原理后，经过反复研发产生的，有些周期较长，耗资十分巨大。对这类原理突破型技术创新，发展中国家在确定具体科研项目时，应依据本国经济、军事等领域的实际需要有所侧重、有所选择，在计划安排上也要分出轻重缓急。
因为只有这样，才能保证用有限的资源在较短时间内在某些重点领域取得突破。我国1956年制定科技发展“十二年规划”时，将导弹研制放在优先地位，而将短期内难以突破的飞机研制往后推，就体现了上述规律。当前，我国优先研发信息技术、新材料技术、生物工程技术、新能源技术等高技术，对载人航天技术则采取量力而行的方针，也是考虑了上述规律的原因。
(4)技术集成在当代重大技术创新中的作用越来越大，和科学研究相比，技术的综合性要高得多。一项重大技术创新往往是集成了多个专业技术后才实现的。
我们前面提过的GPS卫星定位系统与核磁共振成像技术等就分别利用了实验技术中的专业仪器——原子钟与核磁共振仪。因此，重大技术创新应该考虑更多的集成因素，这样才能有效地促进技术的进步。
技术集成度的提高，是技术体系自身发展的内在需要。一般认为，技术可分为实验技术、专业技术、工程技术、生产技术、社会技术五大类[6]。在技术发展的初期，其中的每一类技术都有较大的独立性。但随着技术的发展，各类技术间的相互影响、相互促进和相互交叉日益明显。在当代，各国大型工业企业的技术中心或研究中心，其技术范围就不只是生产技术，而是各类技术的综合与集成。就某一具体技术开发项目来说，其研制过程和设计蓝图往往涉及多种技术类别，最终才能实现技术目标。有鉴于此，重大技术创新活动更应该采取“协同作战”和“大兵团作战”方式，以充分发挥不同专业技术人员的优势。
(5)现当代重大技术创新活动中，数学工具和数学技巧的运用和改进发挥了独特的作用，应该引起人们高度重视。
20世纪中叶以来，纯数学成果在科研领域应用的周期越来越短，其对技术创新的推动作用也越来越大。对有些类型的重大技术创新，数学上的突破起了决定性作用。美国政府在《科学与国家利益》这一文件中，将数学与基础科学、工程学并列作为其未来保持世界领先水平的三大重要领域之一，足见数学的地位和作用何等重要。随着计算机技术特别是计算机仿真技术的飞速发展和广泛应用，数学工具（数学模型、算法、程序、逻辑、知识表达与推理等）的使用将对技术创新产生更大的影响。
(6)在基础研究导致重大技术创新的六种类型中，都存在跨越式发展的成功案例，这表明科技的跨越式发展是一个普遍规律，发展中国家只要措施得力，就一定能在科技上赶超发达国家。
在第一种类型中，X射线与X光照相原理虽然由德国物理学家伦琴发现和提出，但利用X光实现计算机断层图像创新研制的却是英国科学家。在第二种类型中，水稻高产研究始于日本，但我国科学家袁隆平通过野外雄性不育株的发现，最先成功实现了杂交稻的培育，从而大大提高水稻单产，这一成果水平远远高于国外同类研究。在第三种类型中，原子核裂变最初由德国科学家发现，原子弹爆炸原理由匈牙利物理学家西拉德等人首次提出，但却由美国最先研制成功。在第四种类型中，核磁共振技术中的主要技术——高分辨率核磁共振分光法首先由瑞士科学家恩斯特(R.Ernst)发明，但核磁共振成像技术却由美国人实现。在第五种类型中，火箭技术最初由德国研制，但前苏联却加以改进，从而实现人造卫星的发射。在第六种类型中，大型工程计算中的算法问题国外最先提出并进行了探索，但一直未获突破，我国科学家冯康通过全新的基于变分原理的差分方法，创造性地解决了这一问题。
基础研究导致重大技术创新的六种类型划分及其内在规律探讨，无论对宏观层面的科研战略与管理，还是对微观层次的具体科研工作均有一定价值。