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发明创新

北京市科协副主席 张开逊

  感谢大家给我这个机会,在这里讨论发明创新的话题。我今天想谈的是我自己对现代发明活动的理解,其中包括发明活动的人文思考。在谈到现代发明的时候,应该首先回溯人类发明活动的历程。人类诞生的时候,发明活动就开始了。人类在精神范畴中,有两个非常重要的特征,或者是区别于其它物种的重要特征。

  第一,有永不满足的好奇心,他希望了解世界。

  第二,他有永无止境的创造欲,他希望干预世界的活动。

  当这两种精神范畴的本能逐渐发展起来的时候,就产生了最早的人类知识。这三种知识简称为三种“术”。当这种好奇心和求知欲、创造欲表现为实用形态的时候,就创造了生存技术,就是我们今天意义上最早的人类技术发明。当他们付诸感情的时候,就表现为艺术。现在,人们发现最早的有实物证据的,而且有相当水平的艺术,大约出现在距今35000年以前,在法国南部,距巴黎500公里的地方,在1944年,三位研究洞穴的科学家发现了被洞口坍塌岩石堵住的,在里面意外发现了里面做了420多种动物的画像。做这种画像的原料是用赭石、木炭的粉末,还有用更坚硬的石头在石灰岩上浅刻,还有用手蘸着燃料拍着作画。这种作画的方式很像在19世纪末,法国印象派的先驱者们的点彩的作画。他们用炭十四做了测验时间,测验正负差是40年。

  当这种求知欲和创造欲表现为精神形态的时候,就创造了最早的巫术。巫术的产生源于人们对未来的恐惧和自身的脆弱,这也是远古人类文明的三条线索。经过漫长的岁月,一直到17世纪近代科学诞生之后,人类的创造活动,特别是在技术领域的创造活动才发生了质的变化。因此,人类的发明活动可以分为两个时期,我自己是这么理解的。在近代科学诞生之前,人类的发明活动主要源于经验和偶发的灵感。那个时候,发明家都是各行各业的普通人,他们无意发明,只是想到该做的事情。渐渐的有一些专门分工,从事手工业工作的能工巧匠,他们发明的条件和机会比其他人更多一些。漫长的岁月持续了相当长的时间,这些众多的发明也支撑了人类的繁衍和进步,但是要付出沉重的代价。这个代价就是时间。比方说在距今7000年以前,在今天的乌克兰南部,考古学家发现了,那个时候在马的头骨里发现了臼齿已经有被缰绳磨损的痕迹,从事推断的人们在那个时候已经发明了有效的驾驭马的技术,一个人要骑马,一定要有一个有效的控制方式,马基本上不愿和人合作,如果有一种有效的驾驭马的方法,应该怎么做?就是把缰绳套在马的嘴里,轻轻拉动马的牙神经,它就会感到剧烈的疼痛,就会尽量减少这种疼痛,用很小的力就能很自然的改变马运动的方向,这就是今天控制论的先驱,以小搏大,就像是今天用微电子技术,控制强大的动力系统。

  这个发明一直延续了五六千年才出现了第二个发明,就是马镫。马镫是中国人发明的,大约发明于公元300年前后。人们虽然能够骑马,但是没有解决重心平衡的问题。因为人是直立行走的东西,平衡是靠双腿作为支点的,而且是在移动中保持自己的平衡。一旦坐到马背上,支点就变了,这种平衡技巧就无效了。一直到中国人发明了马鞍以后,重新把人在马背上的支点移到马镫上。当年蒙古人就借用了这个重大发明,在席卷欧洲的时候起了重要的作用。这两个关于驾驭马的发明,时间相距五千多年,可见在古典时期,人类的发明是多么艰难。

  近代科学出现之后,人们有更多的方法 ,探究自然的奥秘。相继发明了很多对人类理解世界,创造技术至关重要的基础学问。在这些发现规律的指引下,人们能够做出很多过去难以想象的,产生巨大社会效果和深远影响的发明。从此,人类的发明活动,这种术和学就更加紧密的结合在一起了。在古典时期,人类是先有术,而后有学。近代科学出现之后,一直到今天还在延续的活动,是有真学而后有大术,这是现代发明活动最重要的一个本质特征。

  我们以电磁波的发现为例。虽然电磁波在地球上早就存在了,从地球诞生的时候起就有电磁波,雷电以及太阳的耀斑爆发,太阳黑子活动,它们向地球喷射的太阳风,都会在地球表面产生强烈的电磁波。但是,一直到19世纪后半叶以前,人们不知道电磁波的出现。是英国的物理学麦克斯韦总结了现代科学家个别的电磁波发生的规律,用数学方式推导出了一组方式,用严格的数学逻辑,可以解出一个解,就是变化的磁场可以产生变化的电场,变化的电场又同时产生变化的磁场,交替变化产生。同时,这种变化的场是以真空中的光速传播,他把这种物质称为电磁波,从理论上预言了电磁波的存在。后来德国物理学家赫兹在自己的实验室里,第一次证实了电磁波的存在。当这个信息被社会知道以后,引发了很多发明家和企业家的兴趣,其中最杰出的代表就是马可尼,他试图用无线电作为一种实用的技术,解决人类的通讯问题。在1901年的时候,他首次实现了无线电横跨大西洋,从英伦三岛到美国本土的无线电通讯,之后引起了全世界的关注。今天,这项技术已经变成了近代科学诞生以来,普及程度最广、影响最深远的一种新的技术和产品。美国手机的拥有量是一亿三千五百万台,中国现在手机的拥有量是一亿六千万台。人们估计在2005年,全世界的手机拥有量将会达到16亿台。全世界除了锅碗瓢盆之外,没有任何一件东西具有这么大的普及程度的。手机是综合了多学科的技术成果,包括计算机技术、集成电路制造技术、无线电通信技术等等。无线电技术的发生和发展过程集中体现了现代发明活动和现代科学之间的关系。

  有真学而后有大术,今天的发明家已经和古典时期的发明家不一样。在古典时期,发明家只需要有灵感、勤劳、坚韧不拔的毅力就够了,今天是不够的。要作为一个大的发明家,大的发明家是指他发明的东西应该对社会产生持久的、深远的、积极的影响,而且在他的学科领域是具有突破性的。用今天的话来说,就是重要的原创发明。

  第三,谈一点现代发明的案例,分析现代发明的主要特征。受到我自身领域和学科水平的限制,仅仅用我自己能够理解和比较熟悉的科学事例,试图说明一些在这个领域有共同性的思考。

  1. GPS系统。最能代表现代技术的威力和技术特征的发明,排在前几位的应该有GPS系统。GPS是三个英文字母字头的缩写。全称是全球卫星定位系统。在工作过程中,向地球的经极轨道发24颗极轨卫星。在旋转的时候,由于地球的自转,可以掠过这种地球轨道,所以信号覆盖范围可以覆盖整个地球。24颗极轨的基本卫星,距地面的高度是两万公里。平均12小时绕地球一圈。这24颗极轨卫星之间的空间关系,保持固定的位置。同时,他们都发射事先约定具有特殊含义的无线电讯号。地球上任何一个地方的人们,在四距的方向都可以至少收到三颗以上卫星的讯号,利用这24颗卫星,作为一个天基信号源,就是用太空的轨道作为基准,因为在那里大气的运动忽略不计,其它星极运动对它们的运动干扰很小。人们把这种系统叫做天基测量系统,就是以天上的参考系为基准进行的测量工作。在地球上任何一个地方的观测者,如果他收到一颗这种卫星信号的时候,空间位置可以定出一个以这颗卫星为球星球面的位置。光速是已知的数,同时收到两颗不在同一点上卫星的信号,就可以定出两个球面相交的圆的空间位置。如果再收到第三个卫星信号,就是第三个卫星球面和第一、第二相交的焦点,这个点的空间位置非常精确。如果同时还收到第四颗卫星信号,会纠错,进一步确认你的空间位置的精确度。如果有非常精确的时间标准,有非常快速的解码系统,接收到三颗、四颗卫星信号的时候,迅速能够解出来你自己所在的空间位置,用这种方式就知道你的坐标了。

  现在美国在世界上推出了两套GPS系统,俄罗斯也在做自己的系统,美国推测的商用系统,误差大约是50米,精度是50米到100米,可以装在汽车上,在远洋的货船上。对于识别城市、街道就够了。还有一套系统是军用系统,精度是在一米左右。如果用它制导,在任何恶劣的天气条件下,在地球表面三维空间范围,都可以精确地打中目标,所使用的信号导弹和激光炸弹都配上这些系统。因为激光导弹有激光制导,同时还有它作为校正。有了这套技术,使得人们在地球上有了精确的、量化的空间感,对于定位、制导和研究大地的形变,以及预报地球的灾难都是至关重要的。这是一项突破性的技术。

  它的技术特征有两点。

  第一,它还是利用了古典的科学原理,实际上很多中国的初中学生参加无线电测向活动的时候都已经用了,就是找电台等等,只不过用了新的技术手段去找。

  第二,用了综合性的、最新的技术手段,使古典的、传统的科学方法赋予新的内涵,包括精确的时间测量技术、集成电路技术、计算机技术和航天技术等等。

  2. 第二个有典型意义的案例,就是在医院的CT。CT的全称就是计算机化的断层扫描系统,这是解决X光透视的具有革命性意义的技术。关于X光的技术,在上个世纪,曾经两次获得了诺贝尔奖,这在其它领域很少有的。第一次是1951年诺贝尔物理学奖授予X光的发现者。第二次是1957年诺贝尔医学奖,授予英国的三位科学家,他们使X光技术发生了质变。X光技术出现之后,解决了很多问题,但是它的传统技术在后来遇到了不可逾越的技术障碍。要想判断早期的癌症信息的时候遇到了严重的困难,因为软组织的病变部位对X光产生的有效信号非常少,它会被普通透视方法正常组织的吸收、淹没了,使得信号测量结果的性状比非常低,就像在涂得乱七八糟的黑板上用很细的针划了一小道一样,无法看清楚。这是人们认为无法解决的问题,人们不能企盼X光为人们做更多的事情,主要是帮助人们诊断骨科的疾病,或者从身体上取出金属碎片。

  在20世纪60年代,有三位英国科学家提出一个新的观念,改变了X光透视技术,使软件技术、传感器技术、电视技术和计算机的硬件技术完美结合在一起。利用解数学方程式的办法,把正常组织对有用信号的干扰和背景作为参变量消去了,最后获得了非常满意的结果,以至于现在人们要获得一个三维物体的空间内部密度分布图象时,就可以从端部到后面,逐步了解内部结构。这种新的观念和新的技术,解决了人们在医学领域企盼的很多问题。

  这个案例被美国MIT选择对新入学大学生的思维训练的必读教材。它向我们表明了一个重要的事实,就是在今天现代科学技术发展有一个新的途径,就是已有的多种成熟技术的非线性组合,有可能产生全新的技术。

  3. 激光快速成型技术。加工技术材料的办法,从古到今延续了已经数千年了,从人们进入青铜时代开始,就使用铸造和冷加工的办法。现在出现了一种新的加工办法,不再使用这两种传统的做法,而且加工过程是无声无息的,静悄悄的,这就是激光快速成型技术。它是这样做的,当你需要做一个机器零件或者部件的时候,首先把它的结构、形状设计出来,把它的每个断层的信息存在计算机里,用计算机控制一个移动的工作台。这个工作台是由两部分构成的,它的上面是一个可以变换水平坐标的垂直向下的激光光源,下面是一个源头,这个桶里面盛着液态光引发树脂,在没有强激光照射的时候,引发树脂是一个很好地幼体,它在静止的状态下保持理想的水平状态。在开始工作的时候,计算机就控制激光扫描的位置,按照计算机的剖面顺序扫每一个剖面。扫完第一个剖面以后,第一层树脂就在激光的作用下发生物性的改变,变成非常坚硬的材料,扫完以后马上就下移,这时候第二层液体树脂又接触第二个剖面的讯号的扫描。当扫描全部完成以后,从里面取出来的就是一个完整的加工的产品。这种观念使人类的金属加工变得格外的容易,减少了污染。可是这个革命性的变化本身,并不包括加工技术本身的突变、质变,而是用一种智慧和灵感把已有的四种技术结合在一起。第一是激光,第二是光引发树脂。第三是精确的机械控制技术。第四是计算机技术。

  CT也是用已有的成熟技术能够非线性组合带来了一种新的发明,这种新的发明同样具有积极性的意义。

  4. 它和基础科学的关系。在上个世纪60年代,芝加哥大学的贝利发明了化学研究的现象,他发现在大气层中的碳原子,大气层中二氧化碳的碳原子,其中有10个负12次方普通的碳原子中有一个不同,它的原子量不是12,而是14。它的原子核有6个质子和8个中子构成。而这种原子量为14个碳原子是不稳定的,会发生衰变。每经过5700年数量减少一半。一般人看来,这是对于人类没有关系的一个发现,可是发明家们从不放过在自然科学基础研究中发现的新现象、新的事实。马上就联想到,用它可以帮助考古学家研究断代。今天的碳14断代技术就是这么产生的,利用它可以精确的测量出史前时期,就是没有文字记载的时期,那些事件发生的准确历史年代,从而使得公元前3000年到5000年以前的那些重要的人类活动有了时间坐标,使得历史写得更真实。

  这个案例表明,现代发明家应该有广泛的视野,广博的学识和丰富的想象力。同时,它应该有格外严谨和求实的作风。

  5. 现代发明活动的第二条线索。第一条线索也是人类发明活动的主流线索,指的是有真学,然后有大术,但是人类活动还有另外一条生生不灭的线索,每一个劳动的普通人,他们都有可能成为发明家,他们每天都在思索如何改进我们的生存方式,提高人们的生存质量。在这个意义上讲,正是他们的生生不息的努力,使我们今天能享受如此美好的文明。

  这件发明是一个奶瓶,中国的奶瓶基本上是清一色的,像个酒瓶子一样,可是人们很难想象,婴儿是很难拿那个瓶子的,所以在给婴儿喂奶的时候很不方便。这个发明是一个美国的学计算机的大学生发明的,他的专利转让出去以后,据说得了五百万美金。一个媒体是这样讲的,他拿著作权已经不重要了,重要的是他的这种思想。

  他结婚以后,有了一个可爱的宝宝,孩子要吃奶的时候,他必须拿着奶瓶这样喂,这时候他就没法用双手敲键盘了,以后一个要动鼠标,一个手敲。他一直在想该怎么办,他又注意他的孩子后来的方式,他注意了婴儿握东西有一个特点,因为他的手没有什么力量,婴儿拿东西都是双手握,而且本能的往肚子上贴,那个时候集中表现了人的生物学本能,动物性本能,他已经不思考动作的目的了。他就想如果把奶瓶做成这个样子,两面都有婴儿的小手能够拿得住,双手拿起来是平衡的,免得贴到肚子上,往嘴里一塞非常方便,他又是玩具,又好吃,就不闹,也不哭了。他把这个构想申请了专利以后,商家们很快就发现他的价值了,买了这个专利,后来全世界很多地方都得到了这个发明。这个发明是我当年在美国无意之中看到了,看到以后引起了很多联想,买回来给我们的青年同学们和朋友们看一看,我们每个人不是缺少机会,而是缺少发现。

  这是一个指甲刀。我们的朱总理有一次在谈话谈到中国的企业,谈到了这个剪子,但不是这把剪子。中国的指甲刀非常多,用北京话说卖得臭了街了,可是看来看去,除了大小和图案不一样以外,没有什么区别。这是一个日本的指甲刀,看起来比较笨,但是有一个很妙的地方,有一个小套,这个小套可以拉起来,推上去,剪指甲的时候就把它推上去,剪的时候,考虑指甲受力的方向,受到了一个减轻力同时还有一个推力,这个推力使指甲向外蹦,有个套,让它蹦不出去。在非常优雅的居室里,在地毯上或者在汽车里,或者在别的地方剪就不会污染了,剪得差不多了,找一个垃圾箱倒出去。这是一个非常小的发明,我在东京的时候看到这个指甲刀,它和其它的没有套的指甲刀相比价格贵三倍,住在我们旅馆的外国人都喜欢买。所以,智力劳动的成果可能比企业劳动要值钱得多。

  在这个意义上讲,每个人都可能成为发明家。所以,从古到今,人类主流发明的线索,是经过了近代科学出现之后一次分水岭式的变化,但是普通人能够做出的发明是一直沿着自己的线索前进的。

  最后一个问题,现代发明的非常重要的特征。随着时代的演进,发明家扮演的角色和自己的知识结构,和他的价值取向也在发生着变化。重要的分为三个阶段。

  第一个阶段是古典时期的发明家。这个时候发明家主要是那些能工巧匠。

  第二个时期的发明家就是现代和19世纪后半期以后的发明家。这些发明家,特别是做出重大发明的发明家,他们同时也是科学家。在今天,我们处在第二个时期到第三个时期的过渡的时期。第三个时期是什么时期?我们的发明家不但应该有古典时期的那种勤劳、智慧、敏锐,同时,要有第二个时期很深的科学修养,对于自然现象的深刻的理解,有深厚的科学基础。同时,还要有深邃的哲学思考和博大的人文精神。因为哲学思考是科学的先导,科学又是技术文明的先导,最后使强大的技术手段改变了整个世界。哲学文明和科学文明都不能直接改变世界,要通过技术这个中间环节来产生作用。但是,驾驭技术的是科学,驾驭科学的和指导科学的是哲学,需要有驾驭技术、驾驭智慧的智慧,这就是哲学的人文思考。

  1999年,我参加匈牙利世界科学大会。当时很多科学家们在一起反思,20世纪科学对人类的承诺,以及思索21世纪科学应该为人类带来什么。有一位科学家谈到了一个问题,过去很多科学家过多的注意到解决专业领域本身的技术问题,很少想到它对整个人类的影响。比方说我们在研究汽车的科学家们中,他们有共同的价值标准,就是舒适和快,但是他们很少想世界到底需要多快,人类需要多大程度的舒适,也很少想到这种快速和舒适世界将要为他们付出多少代价,这些思索是至关重要的,已经不是技术问题本身了,而是牵扯到更深层次的、理性的、哲学的或人文的思索。

  一件一件重大的科学发现和与之相伴的一件一件重大的,而且正在不断生长的技术发明,急剧地改变着我们的世界,人由一个脆弱的人,已经渐渐地变成了能够做很多事情的准巨人。如果没有一种真正理性的精神去驾驭和指导、规范这种发明活动,这种创造活动,科学带给人类的是什么?现在很难说清楚。所以,现代发明活动一个重要的特征,我们这一代新的发明家,应该做兼有三个时期的发明家的共同特征的、大师级的人才。

(摘自《北京科协》第六期)

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