从诺贝尔奖谈创新能力的养成

 

党的十九大报告提出，创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。而诺贝尔奖是衡量一个国家科技创新能力的重要指标。近年来我国的莫言先生、屠呦呦女士获得了诺贝尔奖。进入21世纪，我们的邻国日本已经有18位科学家获得了诺贝尔奖，这与他们在世纪之初制定的诺贝尔奖计划有一定的关系。因此，我们今天主要从诺贝尔奖谈创新能力的培养。

经过了三四十年的快速发展，我们国家在经济上取得了很大的成绩。但是，我们过去的发展模式是以生产要素扩张为主要手段的，是不断兴建工厂、不断消耗资源的发展模式，也就是以环境污染为代价。到21世纪初，党中央认识到这样的发展是不可持续的，必须要改变发展模式，因此提出了科学发展观。近年来，党中央又提出新发展理念，要求通过科技创新来驱动经济发展，这样的发展才是永恒的、可持续的。所以，创新就成为我们这个时代社会经济发展的最重要的驱动力。

一、科技发展取决于自主创新

（一）从诺贝尔奖看化工造福人类

获得诺贝尔奖的科研成果对社会发展和进步起到了巨大的推动作用。例如，20世纪初哈伯凭借其发明的合成氨工艺获得了诺贝尔奖。合成氨工艺可以说是现代化工的鼻祖。新中国成立初期我们的粮食年产量是1亿吨，后来我国人口增加了3倍，粮食产量增加了6.5倍，如此巨大的粮食产量靠的就是合成氨技术生产出来的尿素。这就说明诺贝尔奖是社会发展的巨大动力。

再举一个例子，我们经常使用抗生素治病，而抗生素的鼻祖是青霉素。亚历山大·弗莱明于1923年发现溶菌酶，1928年首先发现了青霉素，后来英国病理学家弗劳雷、德国生物化学家钱恩进一步研究改进，三位共获诺贝尔奖。他们陆续提炼、提纯青霉素，并发现其对传染病的疗效，用于医治人的疾病。第二次世界大战后，青霉素得到了广泛应用，拯救了数以千万人的生命。青霉素的发现，使人类找到了一种具有强大杀菌作用的药物，结束了传染病几乎无法治疗的时代；从此出现了寻找抗菌素新药的高潮，人类进入了合成新药的新时代。

所以诺贝尔奖既是对自然界、对社会规律认知取得成就的体现，也是促进人类社会发展的重要推手。

（二）创新并不神秘

科技进步是社会发展的内生要素，是依靠社会本身产生的。尤其是随着社会向前发展，当我们从世界科技的“跟跑者”变为“同行者”甚至是“领跑者”的时候,科技进步就只能通过社会内部产生。事实证明，一流的科学技术不是买来的，也不是市场换来的，更不是模仿来的。技术产权保护、产品更新速度、贸易和环境壁垒，这些都没有给学习者留下空间和时间。科技的发展与进步，归根结底取决于自主创新。

创新其实并不神秘，就像我们中国人总说的一句话：我们与未知世界相隔的只是一层窗户纸，只要捅破了窗户纸，我们便豁然开朗。科技创新也不是高不可攀，无论一个人的受教育程度、社会地位、财富水平如何，只要有创新的思想、创新的动力并且坚持不懈努力，就可以做出成绩来。金蛋不一定是金凤凰下的，土凤凰也可以下金蛋，很多诺贝尔奖获得者的故事便是例子。

石墨烯的发现者是英国曼彻斯特大学的两位教授：安·海姆和康·诺沃肖洛夫。当时他们刚刚来到新的学校任教，自己的实验室还没有建成，科研条件非常简陋，但这并不妨碍他们开展科学试验。他们用胶带从石墨上粘剥出薄片，反复粘贴，剥离出二三十层。此时用原子显微镜观察，能够看到石墨薄片完美的六边形网格，这时石墨的厚度仅为三百万分之一毫米，这就是石墨烯。那么它有什么价值呢？石墨烯是第一种被人类发现的二维晶体。我们知道石墨都是三维结构，而它却是平面结构的。石墨烯比钻石更坚硬，又有很好的韧性，超导电又如玻璃般透明，因此它可用于制作触摸屏，以及超强、超轻的复合材料等。石墨烯的发现并没有依赖什么复杂昂贵的设备，只是出自一个用胶带反复粘贴的想法而已。

不同领域的创新，情况有时截然不同。例如在自然科学领域，新的发现和原有的发现是相互包容、并行不悖的，也就是说新的发现并不否定原来的成果。比如量子力学的出现并不否定经典力学，经典力学适用于宏观世界，而量子力学适用于微观世界。所以自然科学只是划了一个界限，创新就是在这个界限内发现了一个新的边界。

工程科技领域的创新就非常残酷，它是破坏性的、替代性的。我们举一个例子，就是胶片行业。数码相机问世以前，柯达、富士、乐凯等公司主宰着全球胶片行业。20世纪末数码相机问市时，柯达认为在胶片方面投入1美元可以产生70美元的利润，而在数码影像方面投入1美元仅仅能够产生5美分的利润，因此没有必要马上转型。虽然柯达并没有停止对数码相机的研究工作，也曾一度占有数码相机的专利1000余项，并希望通过专利保护、技术封存来垄断数码相机，但它还是没能避免衰落的命运，最终于2012年申请破产。我们再来看富士公司，他们从1997年开始生产数码相机，2002年他们的数字化产品比例就已经达到了60%，因此光学胶卷行业的没落并没有影响到该企业的发展。可见，一个企业对于创新的态度，是关乎其生存发展的关键问题。

（三）科技创新需要创新思维

我们不要纠缠于枝节，要恰到精处，有时候最简单的方法就是最好的。举一个例子，20世纪60年代前苏联和美国竞争登月，当时前苏联的火箭技术是领先于美国的。科罗廖夫是前苏联登月火箭的总设计师，他设计的火箭有30个喷嘴，可以产生1000万磅的推力，能直接从地球飞到月球并返回。可是由于它太复杂了，30个喷嘴中经常有两三个不工作，多次实验均以失败告终。美国登月火箭的设计师是冯·布朗，他认为没有必要设计太大的火箭，他设想火箭不用在月球着陆，只围绕月球转圈，然后从这个火箭上投放一个小的登月舱到月球上，然后再返回，这样就可以大大节省火箭的动力。所以他只设计了拥有150万磅推力的火箭，这种火箭只有6个喷嘴，最后使得美国的登月计划成功实施。可见，冯·布朗的成功不是因为追求细节，而是由于新的思想，运用的是创新思维。

我们曾将杨振宁先生请到清华大学来，在这期间他听了很多教授的课。一年后他在教授会上谈了来清华听课的感受，他说清华的教授们知识渊博，但是他们的教育方法像一只金丝笼子，这只笼子推理、逻辑都极端缜密，只要把学生往那儿一扣，他们很快就能掌握知识，可是学生也被这只金丝笼子束缚住了思想。杨振宁先生认为，金丝笼子式的教育方法对于高层次的清华学生来说，是对他们创新能力的摧残，他们更适用于启发式的教育方法。

 

那么有哪些启发式的方法呢？第一种是亚里士多德的演绎法，这种方法从形式逻辑的“三段论法”演绎而来，其特点是能够给知识以普遍的理论基础。第二种是培根的归纳法，即科学研究从观察和实践出发，逐级登攀，从特殊事例上升到较低公理，多级归纳，最后上升至普遍公理。第三种是爱因斯坦的直觉法，他认为从特殊到一般是直觉性的，从一般到特殊是逻辑性的，单纯的推演和归纳发现不了重大的科学原理，只有将演绎、归纳、直觉综合运用，才能实现原创性的科学发现。比如爱因斯坦的相对论，它既不是归纳出来的，也不是逻辑推导出来的，它就是一种直觉的顿悟。直觉悟性是一种非理性的、非归纳性的逻辑思辨，它是从瞬间感悟到领悟，从而“跳跃”到事物未知部分的能力。

我们还应该学会辩证法，用辩证法的思维方式来解决问题。比如从量变到质变、一分为二、合二为一等原理。这些思想都是被科学家奉为指导思想的，所以有人说哲学是科学家的科学，我觉得确实如此，这些思想会指导科学研究。

二、创造力以及创造者应具备的人格素质

我前面讲的是简单的铺垫，下面我着重讲一讲创造力以及创造者应该具备哪些素质。

（一）什么是创造力

创造力是艺术的、智力的发明能力，它是根据一定目的、任务，在脑中创造出新技术、新产品、新形象，并使之实现的过程。可以说，创造力就是有目的、有结果的白日梦。心理学家雷尔达夫认为，创造力是人产生任何一种形式的思维结果的能力，这些结果是新颖的，是产生他们的人事先所未能预料的。

（二）创造的P4要素

心理学家总结出创造有四个关联因素。第一个是创造者（Person），着重强调创造者的人格特质。第二个是创造历程（Process），着重强调创造者的心理历程。国学大师王国维曾经说过，文学创新的境界可以用三句宋词来概括：第一句是“独上高楼”，就是这个人进入沉思状态，在思考，在构思。第二句是“为伊消得人憔悴”，就是他不断努力，渐渐憔悴。第三句是“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处”，这就是一个顿悟过程。实际上对科技创新来说，顿悟之后还要做系统研究，做出数学模型来分析所有相关因素。第三个是创造产品（Product），着重强调创造者的作品。第四个是创造环境的影响（Press），着重强调个人与环境的交互作用。今天我们时间有限，只讲创造者。

（三）创造者应具备的人格素质

创造者对于我们教育工作者非常重要，我们的主要目标就是培养学生具有富于创新的人格特质。培养学生不再限于“传道授业解惑”，因为知识是无限的，现在老师对于知识的传授已经退居第二位，关键在于培养学生的创新能力，这才是当今教育工作者的首要责任。现在提出来的“新工程教育”，就是以创新作为教育的主要手段，不光要抽象地讲一些理论，还要通过传授知识的过程，给学生渗透创新的历程、创新的方法，让学生在毕业以后具备独立创新的能力。

创造力人人皆有，“创造性”行为却并非人人具备。善于创造之人的人格素质包括：想象力、联想力、变通力、交叉与组合力、观察力、耐受力等。这些能力不是人天生就具备的，需要自己后天养成，所以我们现在要培养学生拥有这些能力。下面我结合诺贝尔奖获得者取得成功的故事，来逐一谈谈创造者应具备的人格素质。

第一，想象力。

想象力是科技创新最根本的源泉。爱因斯坦曾说想象比知识更重要。知识是有限的，想象是无穷的。我们以地球半径第一次被测算出来的故事举例。公元前3世纪，亚历山大图书馆的馆长埃拉托色尼选择在夏至日那天观察在同一子午线上的阿斯旺小镇与亚历山大市的太阳光射线角度，并运用泰勒斯的数学定律，即一条射线穿过两条平行线时它们的对角相等，第一次计算出了地球半径是6378千米。

想象力也可以是无中生有的。这里就讲到我们学校的化工系，我们当时想到塑料很有用，但是它千百年都不能被降解，会造成严重的环境污染，例如农业种植中使用的塑料薄膜，这种塑料制成的薄膜可以保证植物的温度和湿度，是高寒地区农作物种植所必需的材料，那么我们就打算以此入手，研发一种可降解的塑料薄膜。我们首先做的是在塑料中添加很多淀粉，虽然塑料不会分化，但淀粉会被微生物吃掉，那么塑料薄膜就会破碎。后来我们采用发酵法，生产出乳酸，再用化学法将其聚合为乳酸塑料，如此一来，塑料薄膜可以在阳光下被细菌分解，那么它一年之内就被降解了。我们觉得还不够，能不能研发出一种可以跟人体融合、被人体吸收的塑料？我们的这种想法就是一种想象力。后来我们与生物系合作，研制细胞内合成聚羟基丁酸酯（PHB）塑料，这种塑料可以应用于人造器官。我们的这项发明得了国家级大奖，已经投入生产。

我们知道动物都有自我愈合的能力，比如我的手被划破后，皮肤很快就会结痂，然后慢慢愈合。那么在太空中飞行的航天器，它们被小流星划伤后，能不能像动物一样具有自我修复功能？这个设想经过科研人员的努力最终实现了。我们将航天器的外壳用碳纤维缠绕，在碳纤维材料内加入一定体积的小胶囊，胶囊内装有强力树脂，胶囊外还有固化剂。那么当设备本体被划破时，小胶囊也会被划破，强力树脂就会溢出，并固化变硬，这样就起到了航天器自我修复的效果。所以看起来不可能完成的事情，假如有想象力，再经过不断努力，就有可能取得成功。

想象力是一种抽象思维的能力。我们从小学一年级开始学数学，其目的并不是为了算账，而是要培养自身抽象思维的能力。我们举一个实例，1971年加州大学伯克利分校蔡少棠教授推断，在电阻、电容、电感器之外，应该还有一种器件能够体现出电荷与磁通量之间的关系，但它只存在于数学模型中。这一超前想象沉寂了37年之久。时间到了2008年，美国惠普公司给蔡少棠打电话，说他推断的器件找到了。原来，惠普公司的斯坦利·威廉姆斯团队发现，把一块极薄的二氧化钛夹在两个电极中间，这块二氧化钛又被分成两个部分，一半是正常的二氧化钛，另一半进行了“掺杂”，少了几个氧原子。“掺杂”的那一半二氧化钛带正电，电流通过时电阻比较小。而且当电流从“掺杂”的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的“掺杂物”会逐渐往正常的一侧游移，使整块材料中“掺杂”的部分占比较高的比重，整体的电阻就会降低。当中断电流时，氧原子就会保持不动，这就体现了记忆的功能。反之，当电流从正常的一侧流向“掺杂”的一侧时，电场会把缺氧的“掺杂物”向回推，电阻就会跟着增加。因此，整个器件就相当于一个忆阻器。2010年惠普公司认为理论上可以用忆阻器完全代替现有的数字逻辑电路，而以前的冯·诺依曼理论认为，数字计算机的“0”和“1”的体系结构决定了它不可能像人类大脑一样工作，“存储”和“处理”不可能同时进行。惠普公司构建的二维交叉阵列忆阻器，模拟了人类大脑的一个层面，抛开了“0”和“1”的逻辑结构，代之以明暗不同的所有灰色状态，可以进行决策、判断、学习、脸部识别等计算，它的运行速度比数字式计算机要快几百万倍。

第二，联想力。

联想行为出自某种记忆、印象，进而引发了另一种观念或思想的产生，它与想象有着明显的不同。

我们都听说过哥德巴赫猜想，那么哥德巴赫猜想到底是怎么回事呢？哥德巴赫是一个德国数学家，1742年他写了一封信给另外一位数学家欧拉。信中说凡是大于5的奇数都可拆解为三个素数之和。比如说7可以拆成3+3+1，其中3和1都是素数，都是不能被任何数除尽的数；77可以拆成53+17+7；461可以拆成449+7+5。那么假如这个奇数是无限大的，是不是还可以拆成三个素数之和？欧拉很快给他回信说，您的这个问题太难了，我一时半会儿回答不了，可是根据您的题目，我联想到凡是大于4的偶数都可分解为两个素数之和，比如说6可以拆成1+5，8可以拆成3+5。可是到无穷大是不是还这样，我也不知道。这两个人的猜想就构成了哥德巴赫猜想。哥德巴赫猜想就是要证明这两个现象在数字无穷大的时候依然成立，可是到目前为止还没有答案。

在这个例子中，哥德巴赫是想象，而欧拉则是联想，是根据别人的想法继续延伸的联想。联想的作用非常大，比如雷达就是参考蝙蝠通过回声反射原理而研制的。另外在化工领域，我们分离一个物体，比如酒精，需要蒸馏、萃取，能耗就很大。可人体内很多分离过程就不需要高温，不耗能，为什么？是因为有膜。我们的肺泡能够让空气里的氧气渗进去，让二氧化碳渗出来。还有我们的肠胃、肾脏等都是通过膜来分离物质的。那我们能不能研制出一种膜用来分离物体呢？现在我们研制出的膜就可以使海水淡化，海水通过膜会变为淡水。所以膜分离技术是一种仿生学，运用的就是联想能力。

 

我再讲一个逆反联想的例子。我们学部今年新增了一位院士，这位院士解决了我国一个大问题。我国的钢年产量达八亿吨，世界领先，但我国的铁矿大多是贫矿，所产铁矿石品位低，杂质很多，我们只能大量进口澳大利亚的铁矿石，而澳大利亚铁矿石的价格连年上涨。按常理来讲，在低品位铁矿石浮选中，一般浮选出氧化铁，但氧化铁呈多价态，导致选出率不高。这位院士采用逆向思维，改为浮选杂质二氧化硅，这样就成功地把铁矿石的富集率由30%提高到62%以上。这项技术开发成功后，使澳大利亚改变策略，大幅度降低了铁矿石的销售价格。这是一个逆反联想成功的例子。

还有错位联想，就是歪打正着。比如1970年斯宾塞·西尔沃原本打算发明一种强力胶，结果做出来的胶水粘性不佳，还无法固化。1974年他的同事在教堂里唱歌，在歌本里夹了张小抄，并用他发明的不干胶粘住，这张小抄很容易揭起来，还不损伤纸张本身，这就演变成了最初的便条纸。到后来这项发明被3M公司买断，在全世界推广起来。一项不成功的发明歪打正着地得到了成功地运用，所以错位联想有时候也能带来意想不到的效果。

第三，变通力。

变通力，就是我们要善于以新视角、新方式、新方法去解决问题。这里我们必须要提到的就是伊伦·约里奥-居里和她的丈夫让·弗雷德里克·约里奥-居里，他们是居里夫人的女儿和女婿，人称约里奥-居里夫妇。在居里夫人去世后，居里实验室就由约里奥-居里夫妇主持工作。

1930年W.玻特发现用α粒子轰击铍，能够打出一种穿透力很强、在磁场中不会发生偏转的中性射线，他认为这可能是γ之类的射线。因为当时人们只知道α、β、γ三种射线，而γ射线是中性的，且在磁场里不会偏转。所以玻特说这种铍射线可能就是γ射线，也就是铍射线等同于γ射线。之后玻特就发表了相关论文，不过没有被重视起来，因为当时的科学界都觉得这项发现不重要。

1932年居里实验室的一个学生重复了玻特的实验，这个学生还在铍射线的路线上加了一个石蜡片，于是从石蜡片里打出了一个质子流，这个质子流其实就是中子流。因为在实验中获得了新物质，这个学生得以顺利毕业。不过约里奥-居里夫妇向世人公布这项发现时，宣称它只是一种“新的γ射线”。

英国物理学家查德威克看到约里奥-居里夫妇的发现后立刻就觉得有问题，他认为不是实验的过程做错了就是实验的结论解释错了，因为γ射线的质量非常小，只是质子的几千分之一，从一个乒乓球里不可能打出一个铅球。查德威克的老师是原子核物理学之父卢瑟福，卢瑟福在12年前就曾预言存在另外一种基本粒子——中子。查德威克经过反复实验后证明这种物质就是中子，于是发表论文，并在1935年获得了诺贝尔物理学奖。

当时诺贝尔奖的评委在评审讨论时说，发现铍射线（中子流）的是玻特，证明它的是居里实验室，正确解释这个实验的是查德威克，他们都应该获奖。但最后这个奖只颁给了查德威克。为什么呢？玻特和约里奥-居里夫妇虽然捡到了金元宝，但他们在手里捧着看了半天也不知道那是金元宝，所以这个奖跟他们没有关系。

1932年美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，发现了与电子相似，但偏转方向相反的反电子，并获得了1936年的诺贝尔物理学奖。这时约里奥-居里夫妇才发现自己以前也拍下过反电子的照片，只是这一重大发现被他们忽略了。

不仅如此，约里奥-居里夫妇在用中子轰击铀时发现了一种半衰期为3.5小时的元素，认为这也许是一种“超铀元素”。实际上他们已经发现了核裂变，这个半衰期为3.5小时的元素其实是核裂变的产物镱。这样他们就第三次错过了重大发现。而奥托·哈恩确认了这种半衰期为3.5小时的元素为镱，并证明了镱是核裂变的产物，他凭此获得了1944年的诺贝尔化学奖。

约里奥-居里夫妇一连丢掉了三个诺贝尔奖，就是由于知识和经验的狭窄单一，导致了概念视域的偏狭，思维状态单调滞化，缺乏变通力。所以有良好的研究条件和长期的学术积累，也可能无益于科学猜想或理论假说之孕生。

第四，交叉与组合能力。

交叉与组合能力就是把不同的思想用不相干的观点组合起来的能力。爱因斯坦曾说，交叉组合能力似乎是创新性思维的本质特征，创新的本质就在于学科交叉。现在各个学科发展得都很好，如果能够真正在两个学科边缘进行研究，也许就会做出非常重大的成绩。例如青蒿素的提取，最早是用水煎的方式，但以失败告终。屠呦呦阅读书籍时发现，将青蒿浸泡在乙醚中，青蒿素就会溶解于乙醚溶剂。因为乙醚具有良好的挥发性和低沸点，除去乙醚也不会导致青蒿素被分解，于是她采用沸点34.6℃的乙醚成功萃取出了青蒿素，最终获得了诺贝尔奖。这就是一种跨行业借鉴移植的能力，是交叉与组合能力的体现。

第五，观察力。

观察力是对小概率现象的观察能力，是对平淡无奇的事物的观察能力，是对交叉领域的观察能力，也是对跨尺度现象的观察能力。

我举一个关于小概率现象观察力的例子。弗莱明是专门研究葡萄球菌（一种致命病菌）的生物学家。有一天他注意到葡萄球菌培养皿被污染了，器皿中出现了很多被分解的透明斑块。于是他抓住这个机会进行研究，最终发现能抑制葡萄球菌生长的是青霉菌的代谢产物——青霉素。他把青霉素分解出来后，经过反复实验，证明了青霉素确实具有杀死葡萄球菌的能力，并于1928年发表了相关论文。论文当时并不为人关注，直到二战爆发后的1940年，大量伤兵因感染葡萄球菌而死，英国的病理学家佛罗理和德国的生物化学家钱恩注意到了弗莱明的论文，并据此分离出青霉素晶体，临床证明青霉素的疗效非常显著，且对人体的副作用很小，于是青霉素被推广开来，拯救了无数人的生命。弗莱明、佛罗理和钱恩三人在1945年共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

后来有人分析了弗莱明发现青霉素的原因，原来前一天晚上弗莱明忘记关窗户，恰巧楼上的一位学者在做实验，飘落了一些青霉菌下来。而弗莱明抓住了这一偶然现象，通过细致的观察，发现了青霉素。

第六，耐受力。

我再讲一个关于耐受力的故事。美国新罕布什尔大学有位数学家叫张益唐，他是北大博士，后来去美国做博士后，因与他的博士后导师观念不同，那个导师不给他写推荐信。数学家本来就很难找到合适的工作，没有推荐信就更寸步难行了。结果他就一直在美国的快餐店打工，端盘子端了十几年。有一天，他的北大同学恰巧在他工作的快餐店吃饭，看到张益唐大吃一惊，说你在我们班是很优秀的，怎么跑到这儿来干这个呢？他的同学当时已经是大学教授了，于是把张益唐带到新罕布什尔大学做访问学者。谁都没想到，张益唐用不到一年的时间就解决了一个世界级的数学难题——孪生素数猜想，就是证明相连素数之差，并不是一直在增长的。比如说一个素数3，不远的地方就有第二个素数5，5后面就是7，7不远的地方就是11……，如果当这两个素数无穷大时还是不是这样的规律？张益唐证明了这两个素数无论多大，两个素数之间的距离不可能超过七千万。七千万看着很大，可是在一个数的后面有一千个零的时候这个数就显得很小了。这个理论发表后，他获得了图灵奖等众多国际数学大奖。可以看出，张益唐是一个在艰苦逆境下仍然坚持不懈努力奋斗的人。

下面我们来总结一下，创新能力培养的基础在于对已有知识系统、全面、深刻的掌握，这样才能真正站在巨人的肩上，有所发现。创造出于思索，成功出于勤奋。活的知识有利于思维创新，死的知识束缚学习者的思维。科学理论体系的客观真理性，不能单纯靠科学本身来判定，实践是检验科学理论和客观真理的最终标准。

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（责任编辑：李颖）

责任编辑：李贤博

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