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21世纪新科技革命的几点思考

《中国科学报》 (2012-03-19 B3 观点关于新科技革命，从2005年美国库兹韦尔的 “奇点临近”到今年元旦白春礼院长的“新科技革命的拂晓”，特别是何传启先生主编的《第六次科技革命的战略机遇》一书，都作了不少探索性研究。在深受启发的基础上，谈几点个人粗浅的看法。 一、“科技革命”的本质

纵观人类发展史，可以看出科技革命总是与生产力大发展、社会大变革密切相关，科技革命作为源动力深刻影响着人类的文明进程。因此，准确理解科技革命的本质，对于探索其发生发展规律具有重要意义。 1.发展前提下的“否定” 科技革命顾名思义是指科学技术领域的重大变革，指从科学理论、 技术进步到产业发展的革命性变化。因此，根据科技发展的规律，科技革命应该是一种发展前提下的“否定”。否定是事物发展的内在特征，是辩证法的三大规律之一，是一切事物发展的根本。科技革命首先是“否定”式的重大科学发现，进而催生改变人类文明进程的技术进步，最终带来划时代的产业发展。科学发现往往是“证伪”而不是“证实”。对科技而言，发展本身就是一种自我否定，但这种否定是继承基础上的发展，是发展基础上的否定。例如， “日心说”否定了托勒密的“至大论”，推翻了长期以来居于宗教统治地位的“地心说”，实现了天文学的根本变革，但哥白尼沿用了托勒密的科学观测方法，他20多年观测得到的数据，与托勒密的大体一致，哥白尼实现了旧有数据和认识基础上的思想创新，他发现了托勒密的错误结论。在否定的基础上推进了天文学的进步，催生了人类第一次科技革命。再如，爱因斯坦的相对论在量子领域否定了牛顿力学，带来了人类的核能和量子时代。

2.“渐进”基础上的“突变” 渐变与突变是事物发展的两大规律。英国地质学家莱伊尔依据沉积层序的连续性，认为自然界的一切变化都是日积月累、逐渐改变的；而法国的居维叶根据古生物的突然出现和灭绝，提出自然界的一切都是“突变”的。回顾科学发展历史，可以看出，新的科学发现和技术发明，是一个不断涌现、长期缓慢的积累过程，而发展到一定程度，突然出现的“飞跃”或者“突变”就是革命。因此循序渐进的科学发现和技术发明，即使再重大，也不能称为革命；只有石破天惊的“突变”才能成为革命的标志。哥白尼1543 年出版的《天体运行论》，一夜之间打破了“一千年的科学黑暗”。但天体运行的萌芽可能要追溯到古希腊的毕达哥拉斯。如果《天体运行论》的出版是跨越式突变的话，那从古希腊时代到16世纪中期，天文学和物理学就是处于一个渐变式的积累过程。从自然规律说，地质学上地质年代的划分，都是依据地球上主要生命物种的“突变”，譬如：新生代以开始出现哺乳动物为标志，第四纪是因为地球上有了“人”种。

3.科学、技术、产业革命的“三位一体” 科学是人类对自然现象和规律的认识；技术是人们改造客观世界的方法；产业是技术进步的结晶。科学与技术既存在差别，又不可分离。科学强调的是知识性，技术强调的是实用性；科学是认识自然，技术是改造自然；科学是技术的源泉，技术是科学的延伸；没有不带来技术进步的科学理论，也没有不依据科学理论的技术创新。而产业是科学技术的产品体现，指的是一切生产物质产品和提供劳务活动的集合体。 能够改变人类的思想观念或彻底改变对自然认识的变革，可以称为科学革命；能够改变人类文明进程的生产方式或生活方式的重大变革，可以称得上是技术革命，这两种革命密不可分，合起来叫做“科技革命”，而产业革命是科技革命的最终体现。科学、技术和产业是一种上、中、下游的辩证统一关系，是一个从认识源头、生产力转化、最终抵达实施效果的完整过程。 具体表现为：科学发展到一定程度形成理论认识的突破，即科学革命；科学革命产生的理论

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认识会引导新技术的问世，导致技术革命新技术的推广和应用形成新的产业结构，即产业革命。如法拉第发现电磁感应现象、麦克斯韦建立电磁理论，就是科学革命；爱迪生发明电灯、西门子发明发电机就是技术革命；由此带来的电气化时代就是产业革命。所以，科技革命就是以科学革命理论为指导，以技术革命为支撑，落脚点是生产力大解放，产品结构大变革。 4.从思想解放到产业发展的完整过程回顾历史上数次改变人类文明进程的科技革命，往往是思想启蒙开幕，政治革命发端，然后是颠覆式的科学发现，突破式的技术创新，进而引发产业革命，最后带来划时代的社会发展。从16世纪近代物理学开端到现在，这一规律反复出现，不但体现了科技革命的整个过程，而且体现着全球范围内政治、科技、经济中心的转移。 （1）意大利作为第一次科技革命的故乡 为什么中外学者公认第一次科技革命发生在16世纪的意大利？一场资产阶级在思想文化领域的反封建运动，使意大利最早从封建制度的桎梏中解放出来，产生了最早的资本主义制度。这就是思想启蒙发展到制度革命的先例。资本主义制度为意大利的科学发展创造了自由的天空于是科学革命迅速到来哥白尼的“日心说”；布鲁诺的“宇宙观”；达芬奇发现月球不发光，发现视网膜成像、发现血液循环；伽利略发现重力加速度、发现了月球的山脉和沟壑、发现了木星的三颗卫星、发现了太阳黑子；维萨留斯创造人体结构理论。特别是达芬奇，号称万能天才，他既是画家、雕塑家、建筑师，更是“百科全书”式的科学家，有人说：如果达芬奇的科学手稿能及时发表的话，人类科学事业至少会跨越200年。在当时环境下，这些科学巨匠的科学发现完全有悖于宗教理论，是彻头彻尾的科学革命。随之而来的是全球性技术变革，首先表现在文艺复兴时期建筑技术的大发展。弗罗伦萨的麦迪奇大教堂成于达芬奇之手；米开朗基罗完成了号称世界第一的梵帝冈大教堂；米兰的多姆大教堂作为建筑艺术的精品拔地而起，达芬奇还为此设计过升降机；伽利略发明了钟摆计时技术，发明了天文望远镜，使整个意大利人惊呼“哥伦布发现新大陆，伽利略发现新宇宙”。这些重大科学发现和技术发明大大促进了产业革命，把整个欧洲推向了“地理大发现”的新时代。迪亚士的船队绕过好望角；达伽马的船队到达中南半岛；哥伦布发现“西印度” 亚美利哥发现美洲；这些辉煌的名字把欧洲推向了以航海产业为代表的新时代，由此拉开了“大国崛起”的序幕。

(2)英国成为第二次科技革命的发源地 第二次科技革命的号角在17世纪末的英国吹响。自当年“英西大海战”一举击败西班牙“无敌舰队”之后，偏距海岛一隅的大不列颠登上了历史舞台。经过一百年的探索，特别是培根的思想启蒙著作、莎士比亚鞭笞现实的作品，催生了新思想的诞生。终于在1688年完成了号称“光荣革命”的资产阶级民主革命，结束了封建王权统治，创造性地建立了君主立宪的社会制度，使小小的英伦三岛迅速变成了不可一世的“日不落帝国”。牛顿作为第二次科技革命的旗手，集科学之大成，在数学、天文学、物理学、光学等领域都有杰出的建树，发现了万有引力；提出了力学三大定律；特别是1667 年发表了《自然哲学的数学原理》，使全欧洲在惊呼：“上帝创造了世界，牛顿发现了上帝创造世界的方法。”从牛顿开始，人们知道自然现象存在着规律，而规律是可以被认识的。1765 年瓦特作为技术革命的旗手发明了真正带来产业革命的蒸汽机；1776年亚当·斯密发表了《国富论》，揭示了市场经济的最基本原理。可以说牛顿为产业革命创造了一把科学的钥匙， 瓦特拿着它开启了产业革命的大门，亚当·斯密挥动着一只无形的手为产业革命缔造了一个新的经济秩序。

（3）法国大革命成为第三次科技革命的导火索 第三次科技革命发源于18世纪末的法国。从大文豪伏尔泰的思想启蒙，到孟德斯鸠的《法的精神》、卢梭的《社会契约论》、狄德罗的《百科全书》，都提出了更彻底的资产阶级思想，带来了法兰西的思想大解放，终于爆发了1789年7月14日攻打巴士底狱，摧毁了专制统治，把路易十六送上了断头台。一场轰轰烈烈的法国大革命，建成了号称“自由、平等、博爱”的法兰西。迅速出现了一批世界级的杰出科学家，比如拉瓦锡作为近代化学之父，提出物质不灭定律，建立了新化学理论；盖

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吕萨克发现了气体分配定律；居维叶推出了古生物学理论；拉普拉斯建立了二阶二次偏微分方程；

还有拉格朗日公式、傅立叶级数、蒙日定理、达朗贝尔方程等等。在数理化各个领域，以国为中心带来了革命性的变化。在技术领域，围绕着电磁领域，出现了库仑定律、安培公式等等，带动了“电气化”时代的到来，使全世界迅速进入了以“电”为能源的产业革命新阶段。 （4）德意志的统一大典催生了第四次科技革命 第四次科技革命在19世纪末的德国萌动。号称欧洲走廊的德国不断重演着分裂与统一的历史。日尔曼民族不断地考问世界，也不断地拷打世界。一代诗人歌德、席勒发出了思想解放的呐喊，马克思提出了唯物辩证法、历史唯物主义及剩余价值理论，还有叔本华、尼采的唯意志主义，罗素的逻辑实证主义，都是重要的思想启蒙。后来“铁血宰相”俾斯麦励精图治，于1871年在凡尔赛宫完成了德国统一大典，实际上是用战争完成了空前的政治革命。普鲁士国王捐献出豪华的王子宫,建立了洪堡大学，而且承诺：国家必须对教学和科研活动给予物质支持，但不干涉教育和学术活动。正因为同时拥有国家的保障和充分的学术自由，才成就了德意志的科学家，导致了一大批代表人物的出现，比如：有机化学之父李比希、现代物理学家普朗克、数学大师高斯，还有黎曼几何、希伯特算子、薛定谔方程、海森堡量子力学。这些光辉的名字足以证明当时的德国应该是第四次科技革命的中心。特别是爱因斯坦提出相对论，作为科学革命的代表几乎轰动了全世界。在技术领域，涌现出伦琴射线、欧姆定律、赫兹电磁波、西门子发电机、拜耳化学等一大批改变人类文明进程的技术发明。从普朗克、薛定鄂、海森堡、伦琴，到爱因斯坦，这一批科技巨人拉开了以量子理论为指导的“核能”和“电子”时代的序幕。 （5）美国二战后成为第五次科技革命的中心 第五次科技革命诞生在二战期间的美国，迄今主导自然科学和高新技术的新潮流。美利坚自诩为“民主、自由”，但由于战争和发展的需要，确实极度重视顶尖科技人才。当年爱因斯坦到普林斯顿大学工作的薪水与美国总统罗斯福一样多。二战中几乎无偿地接受了一大批犹太血统的著名科学家，如：费米、冯·卡门、冯·诺依曼、奥本海默、爱因斯坦等等。直到今天，几乎是用低廉的成本让全世界的科学家为其服务。100年来科学领域近500个诺贝尔奖得主美国占了一半以上；世界500强企业中近200个属于美国。从1946年电子管计算机在宾夕法尼亚大学问世，到今天以互联网为代表的数字地球，把全人类推向了信息革命的新时代。 二、科技革命前夜的“骚动”

回顾世界科技革命的历史，往往是经过长期的科学积累之后，一些离经叛道的学术思想， 一批颠覆式的科学发现，一堆否定式的技术发明在缓慢的发展中突然浮出水面，成为科技革 命的先兆。今天，一些超出想象的科学发现和技术进步，使我们有理由相信，世界正处于一 场新科技革命的前夜。哺乳动物克隆在生命科学领域，从来没有人相信哺乳动物能够通过无性繁殖做出来，故“克隆羊”的诞生，翻开了生命科学崭新的一页，几乎一夜之间震撼了全世界。1997年2月27日《自然》杂志公布了威尔莫特等人的研究成果：经过247次失败之后，他们在1996年7月5日克隆出一只基因结构与供体完全相同的小羊“多利”。它的出现，在理论上证明了，同植物细胞一样，分化了的动物细胞核也具有全能性，在分化过程中细胞核内的遗传物质没有不可逆变化；在实践上证明了，利用体细胞进行动物克隆的技术是可行的，为大规模复制动物优良品种和生产转基因动物提供了有效方法。利用同样方法，人完全可以被复制。因此“多利”的诞生在世界各国科学界、政界乃至宗教界引起了强烈反响。 各国政府纷纷作出反应：禁止克隆人类！但克隆技术的巨大理论和实用价值促使科学家加快了研究步伐，必将带来生命科学领域的革命性改变。

2.中微子超过光速爱因斯坦的狭义相对论认为，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质运动可以超越光速。但2011年9月23日，欧洲核子研究中心发现：被送往732公里之外格朗萨索实验室的中微子比光速快了60纳秒到达。这很有可能会颠覆支撑现代物理学的相对论。

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尽管迄今对此科技界一直有不同的声音，甚至认为是“摆乌龙”，也有人认为是光缆连接问题，但毕竟大大震撼了科技界。因为一旦被证实超过了光速，那将彻底改变人类对整个宇宙的看法。其中一种观点认为，宇宙中可能还存在其他未知维度，中微子正是抄了其他维度的 “近路”，才“跑”得比光快。“中微子超光速”又成了一个有待证实或者“证伪”的革命性发现。

3.宇宙大爆炸宇宙大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型。大约在150 亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。 大爆炸以后，物质开始向外膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。这一模型得到了当今科学观测的支持，最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究和微波背景辐射。1929年，美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。1964年，美国贝尔公司的彭齐亚斯和威尔逊，在调试发射天线时，出乎意料地接收到一种干扰噪声，而且不同方向上信号的强度都一样，历时数月而无变化。这种噪声的波长在微波波段，对应于3.5K的黑体辐射出电磁波。一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这一发现被列为60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。但是宇宙大爆炸理论否定了宇宙能量守恒、质量守恒定律。自然界本来“物质不灭”，原来的物质只能以不同形式转换成另一种物质。而大爆炸从“零”开始，完全是“无中生有”，那“零”之前是什么？由此引起的对暗物质、暗能量、反物质的探测将彻底改变人类的宇宙观。

4. 海底热液生物群落我们对生物的认识，习惯于“万物生长靠太阳”，但在可见光不可能到达的深海底，居然有大量海洋生命群落存在。由于海底热液环境与地球刚刚诞生时的环境非常相似，所以海洋热液生物的研究将为人类研究生命起源提供重要依据。在水深4000米以上的大洋深处，在大洋中脊、弧后张裂盆地、转换断层、无震海岭等地壳构造活动带，不断喷出浓重的热液流体。所携带的硫化物在喷口附近沉淀下来，形成烟囱状堆积，科学家们称之为“黑烟囱”，属于重要的贵金属硫化物矿床。在高黑、高温、高压、剧毒、缺氧的“烟囱”周围，生活着许多生物群落。研究表明：硫细菌是热液生物存在的基础，它靠热液带出的能量进行化合作用制造有机质，支持着这种特殊的热液生物群。因此，海底热液生物是传统生物学的一个崭新挑战，甚至会动摇生命起源和进化的理论。

5.准晶体自然界的物质有着固定的晶格结构，最大的特点就是存在可重复的对称轴和对称面，由此产生了晶体的各种特性。但“准晶体”的发现，打破了原子结构必须具有重复性这一黄金法则。1982年4月8日，以色列科学家谢赫特曼发现了“准晶体”，其原子结构不具备可重复性，这一发现彻底违反了自然“规则”。随后，科学家们在实验室中制造出了准晶体。2009年，意大利科学家宾迪在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体，分析表明：“准晶体”结构能天然形成，而且也能在自然环境下保持稳定。美国和意大利科学家对在俄罗斯发现的天然“准晶体”进行了化学分析，结果表明，这种矿石很可能是陨石的一部分，在陨石与地球的撞击中遗落到地球上。这也表明，准晶体能在很多环境下自然产生，而且，在宇宙学时标上保持稳定。准晶体的发现，是晶体学研究中的一次“颠覆性”突破。它的发现者也因此获得2011年诺贝尔化学奖。

三、新科技革命的内涵21世纪是生命科学的世纪、海洋开发的世纪，也是“信息科学时代”和“脑科学时代”体现了21世纪人类社会对生命科学、海洋科学、信息科学、脑科学的需求与期待。在今后10~20年内，有可能发生一场以智能、蓝色、可持续为特征的新科技革命，在许多领域将会带来重大变革，最突出的特征可能表现为“三个结合”。

1.人脑与电脑的有机结合人是万物之灵，大脑支配人的一切生命活动。人的生命体、大脑和思维过程是不可分割的统一体。人脑的情感功能、联想功能、创新功能都是计算机不具备的。各种智能模型迄今还不能圆满地对大脑思维活动进行模拟，人们还不了解信息在大脑中的存

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在形式和编码方法，特别是对概念、意识、情感和创造性思维过程的研究还根本无从着手。 进入21世纪，信息科学和人工智能研究取得了重要进展，“智能化”已经成为当前新技 术、新产品的重要标志。IBM已研制出新一代神经突触计算机，可以模拟部分大脑的认知活动。2011年，欧盟委员会评出了对未来影响最大的六项前沿技术，其中人脑工程技术名列前茅。可以看出，大脑结构及运行规律的解析、大脑思维的解读和数字化、思维量子存在的物质基础及模拟人类的思维规律已经成为生命科学、信息科学和量子物理学研究的热点。 （1）脑科学研究将打开意识之门随着脑科学的发展，人们开始探索意识产生的神经关联物及动力学过程。2008年美国匹兹堡大学实现了让猴子用“意念”控制机械手臂运动；

2012年2月，浙江大学实现了让猴子的大脑信号“遥控”机械手的五指，完成了勾、握、抓、捏等精细动作。在自然科学领域，主要是脑科学、神经科学和现代物理科学的综合运用， 已经为打开意识的“黑箱”提供了工具。比如：ERP9（事件相关电位成像技术）、fMIR（脑功能成像技术）和PET（断层显像技术）的研究，已经为大脑结构扫描、心理反映监测及大脑信号解析提供了实验依据。2009年，美国学者威尔逊通过大脑微型扫描仪实现了对大脑思考的扫描，通过脑信号转译成电子信号直接在网上发帖。通过神经科学、现代解剖学、现代数学、信息科学、纳米科学的组合，可对大脑内部生理结构进行观察、建模并模拟各区域， 将有助于最终理解思维、知识在大脑内部的存在与运作机理。全面认识大脑的工作机理很可能会在2050年之后。

（2）无创性接驳将实现人脑与电脑的高度融合脑机接口是在人脑与计算机之间建立直接的交流和控制通道，通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备，甚至实现人脑与电脑人工智能的双向融合。脑机接口实现的本质是使人产生容易被解读的脑电，然后识别出这种脑电，并根据提前定义好的编码，解释出这种脑电的含义。可以预测，在理解大脑的结构、功能和工作原理之后，人脑和电脑之间很有可能实现双向、无创性的对接，实现人类智力传到计算机上，计算机成为人类智力的直接扩展，不但会成百上千倍地增强人脑的功能，同时电脑与人脑可能会实现一定意义上的真正融合。

（3）量子理论将解开“意识”之谜意识是物理过程、心理过程和思维过程的统一体，是一个客观存在，其诱导、形成、传递和相互作用都依赖于神经元的物理作用。而量子论的引入， 则为理解这一物理过程打开了一扇方便之门。量子物理学认为：时间和空间是纠缠、关联的，物质的存在方式是量子化的场，运动形式也是量子化的。任何形式的意识都必须存在于一定的时间和空间中，而时间、空间、能量和质量间具有的相互关联，必然影响着意识的内容和形式。也就是说，意识的本质是一个量子过程。随着新科技革命的到来，新的物理学将更好地解析意识的本质。在不远的未来，意识的物质论很可能从量子论中得到答案。届时，只要找到了意识存在的物质形式，它就可以被复制、被转移。人脑与电脑，自然人智能与人工智能的界限将不再存在。对物质、宇宙和人脑的认识，都将因量子论的研究而产生根本性的改变。

2.自然人与机器人的有机结合机器人诞生于20世纪60年代，在90年代得到迅速发展。当初，它的出现是为了适应制造业规模化生产，承担单调、重复的体力劳动。随着科学技术的发展，机器人对人类社会发挥着越来越重要的作用，人与机器的融合将是人类文明的发展方向。

（1）智能化、意识化是机器人发展的必然趋势机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是集计算技术、控制论、信息学和传感技术、人工智能、仿生技术为一体的高技术产物。过去10年中，机器人技术得到长足发展。基于传感器的控制技术已经成熟，实现了机器人的网络通讯和全数字化控制；机械结构向模块化发展，运动性能和柔性得到了提高。未来机器人技术正朝着自然科学类、仿真动物类、虚拟技术类、人体科学类等机电一体化的多元方向发展。结合生物技术，未来机器人将可能拥有更灵活的类似人类的关节和仿真人造肌

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