从“模仿式”进步到“颠覆性”创新

第四次工业革命的开端

就工业发展来说，经过“机械化、电气化、自动化”等三次工业革命之后，今天，我们迎来了“互联网”为经络的第四次工业革命，这就是“智能化”。就世界范围来说，“互联网+”的时代已经到来！大数据使“数字地球”“数字社会”“数字生存”成为现实。人与人、物与物、车与车、船与船，几乎被一网打尽！3D打印、智能材料、智能穿戴、无人驾驶汽车、无人驾驶军舰、无人驾驶飞机，等等，使工业生产更加绿色、更加高效，智能化机器人团队一跃成为工业生产的主要“劳动力”。

颠覆性创新

是跨越式发展的标志

“创新”一词源自熊彼特，但100多年悄无声息，真正引起社会关注是1997年。克隆羊“多莉”造成的“克隆震撼”，“知识经济”带来的“思想风暴”促使全世界不得不认真思考“创新”的意义和内涵。于是，“创新”迅速变成了全社会的时代精神。

对我国来说，未来的5年是全面决胜小康的“冲刺阶段”，是跳出中等收入陷阱的“起跳节点”，是中华民族伟大复兴的“百年渡口”。因此，在这十分重要的“关键时期”，如何依靠科技创新来引领和支撑中华民族实现“宏伟跨越”，意义特别重大。

到目前为止，我们可以自豪地说，中国是一个科技大国。作为经济支撑，我们的经济总量跃居世界第二位，而且在可预见的未来，会迅速成为世界第一。就科技发展来说，经过改革开放30多年的努力，我们取得了“超常规”发展的骄人业绩。

一是科技人力资源在世界上排第一位。不管是科技人力资源的现实投入和科技后备人力资源总量，无论是按人头还是按全时当量计算，我们在世界上都稳居第一位。2014年我国科技人力资源总量达到7512万人；R&D人员总量达到371万人；大学本科以上学历的科技人力资源总量为3170万人，特别是理工科的大学生数量，在全世界绝对第一。

二是国家财政科技投入在世界上排第二位。我国2015年全社会R&D投入高达14300亿元。据联合国教科文组织2015年11月发布的《2015年科学报告：面向2030》，美国科技投入占世界28%；中国占20%；欧盟占19%；日本占10%。而且预见，中国2019年会超过美国，成为全世界第一。

三是科技产出在世界上名列前茅。2014年SCI收录中国论文总量26.35万篇，占世界14.9%，连续6年在全世界排第二位；被引用数量排第四位；国际科技论文占全球比重达到20.2%；2015年国家知识产权局受理发明专利申请110.2万件，连续5年居世界第一位；2015年共授权发明专利35.9万件，发明专利申请在全部专利申请中的比例达到39.4%。

四是科研设施总体上是一流的。尽管我们的科研装备国产化程度比较低，但大型科研设施是世界一流的。譬如：位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜，是世界上口径最大的单天线射电望远镜；位于四川西昌的深地核天体物理实验室，垂直岩石厚度2400米，实验空间30万平方米，是世界最深、国际最大的地下实验室；位于广东东莞的散裂中子源将与美、英、日一起构成世界四大脉冲式散裂中子源；位于山东青岛的国家深海基地建成并投入使用，其中“蛟龙”号深潜器下潜深度达到7062米，是目前下潜深度最大的载人深潜器。此外，“雪龙号”“科学号”“大洋一号”“向阳红”系列等30多艘科学考察船是世界上航海能力最强、规模最大的科考船队。

五是中国的科技事业业绩非凡。我们用30多年的时间，走过了西方发达国家300年的科技发展历程。屠呦呦获得了2015年度诺贝尔医学奖。在一些高新技术领域我们从“跟跑”变成了“并行”。譬如：计算机领域的“天河二号”超级计算机在国际上蝉联“六联冠”；航天领域的长征系列火箭、神舟系列飞船、天宫系列航天器；海洋探测领域的“海龙”系列、“蛟龙”系列、“潜龙”系列、“海马”系列深潜装备；航空领域的国产首架大飞机C919总装下线；核能领域的“华龙一号”首堆示范工程开工建设。

由此可见，迄今为止，我们的确已是一个名副其实的科技大国，但还远不是科技强国。首先是近几十年来，影响人类文明进程的重要科学发现和重大技术发明很少是我们完成的。引力波是美国人检测到的；石墨烯是英国人发现的；3D打印、云计算、大数据、互联网、干细胞，我们习惯于跟风模仿，一哄而上，但不是原创者。其次是在众多高新技术产业领域，我们还不掌握核心技术，甚至缺乏关键技术。譬如：现代船舶制造产业。我国是世界第一造船大国，我们的造船产能足已容纳全世界的造船订单，但是我们并不掌握船舶基本设计、船舶电子、船舶动力等关键技术。我们主体上是以“焊钢板”为主的船舶总装，结果带来的是大量的原材料消耗、劳动力消耗和环境污染。三是装备短板。从国防军工装备、科研调查探测装备，到产业工程装备，还严重依赖进口，特别是特定环境领域、大型成套装备国产化程度非常低，形成了從“工具”层面就受制于人的尴尬局面，而且靠进口装备，往往是“一次购买，终生依赖”。

因此，如何实现从科技大国到科技强国的宏伟跨越；如何从“量”的积累转向“质”的飞跃；如何从“点”的突破变成“面”的提升；如何从模仿跟跑到并行领跑成为全国科技界必须深入思考而又迫在眉睫的重大命题。归根结底一句话，突破口在颠覆性创新！

颠覆性创新的潮头

已经暗流涌动

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，一批离奇古怪的科学发现，一堆难以置信的技术发明在缓慢发展中突然浮出水面，成为科技革命的“先头部队”。今天，不断涌现的一些超出想象、挑战常规的科学发现和技术发明，使我们有理由相信，在世界范围内，颠覆性创新的潮头已经形成，随之而来的将是新一轮科技革命的滚滚大潮。

1.引力波 2015年9月14日，位于美国路易斯安那州与华盛顿州的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到了引力波。分析证明，探测到的信号是由两个巨大黑洞合并而产生的引力波。两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量，合并后的总质量为62个太阳质量，3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放，其峰值能量比整个可见宇宙释放的能量要高出约50倍。

于是引力波作为一种“时空涟漪”“宇宙呢喃”，如同“一石击破水中天”，迅速在全世界引起空前的反响。首先是对传统波动理论的颠覆性“认识”。人们要问：引力波是一种什么波？它如何以声波的频率、光波的速度、电磁波的穿透方式，穿过茫茫太空的各种时空介质，历时13亿年顺利到达地球？其次是它开启了一个观测宇宙的新窗口。几百年来，天文观测主要靠电磁光谱的测量，射电、光学、红外、X射线等天文观测手段均是在收集光，靠“看”来观测宇宙。而引力波的发现则将从“听”这一完全不同的角度进行天文探测。所以，它标志着一个天文学新时代的开端，意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”，必将引发新的天文学革命。

2.宇宙大爆炸 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。大爆炸之后，物质开始向外迅速膨胀，就形成了今天的宇宙。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，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，而且不同方向上强度一致，历时数月而无变化。这种噪声的波长对应于3.5K的黑体辐射电磁波，故称之为宇宙微波背景辐射。两人于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”，而大爆炸从“零”开始，完全是“无中生有”。上下四方谓之“宇”，古往今来谓之“宙”，浩淼时空，本无边无缘、无始无终，现在突然有了起点，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。

3.大型哺乳动物克隆 在生命科学领域，从来没有人相信大型哺乳动物能够通过无性繁殖来传宗接代，可“克隆羊”的诞生，翻开了生命科学崭新的一页。1997年2月27日，《自然》杂志公布了伍尔莫特等人的研究成果。经过247次失败之后，他们克隆出一只基因结构与供体完全相同的小羊。它的出现，在理论上证明了，分化了的动物细胞核具有全能性；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。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、管理界乃至宗教界引起了强烈反响。克隆技术的重要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变化。

4.再生医学 诱导多能干细胞过程可以将人体内的普通细胞“逆转”回到早期胚胎发育状态，从而重新获得分化成为体内绝大多数细胞的能力。这就从发育学角度实现了“返老还童”。它从理论到方法彻底颠覆了传统的遗传学，并开始逐步应用于疾病治疗。

2010年，英国伦敦儿童医院成功使用一位10岁儿童患者的干细胞重新培育出了气管。2013年，英国伦敦大学帮助一名因皮肤癌割除鼻子的56岁男子重新长出了一个鼻子。2014年，日本理化研究所利用诱导多潜能干细胞制成视网膜细胞，并成功地移植到一名患眼疾的妇女眼中。2014年，中国学者仅用4个小分子化合物组合对体细胞进行处理就成功地逆转其“发育时钟”，实现细胞在结构上的“返老还童”。2015年，韩国研究人员利用取自两个男性身上的皮肤细胞制造出了胚胎干细胞系。2016年，中国科学家首次实现小鼠胚胎干细胞体外分化并获得具有功能的精子细胞，并成功地用其繁衍出老鼠后代。

5.热液生物群落 我们对生物的认识，习惯于“万物生长靠太阳”，但在水深4000多米的深海洋底，在高压、高热、高黑、高毒的“四高”环境中居然有大量海洋生命群落存在。海洋调查证明，在高温热液喷口周围，生存着茂盛的热液生物群，主要有细菌、古菌、管状蠕虫、蛤类、贻贝类；还有管水母类、腕足动物、肠鳃动物、海蛇尾类及鱼类、虾类和蟹类等。往往是外貌似曾相识，但细看迥然不同。于是一大堆超出人们想象的问题产生了。他们是从哪里来的？他们吃什么、靠什么活着？他们怎么新陈代谢和传宗接代？

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生命起源提供重要依据。海底热液生物的发现改变了人们对生命过程的认识，科学家大胆推测海底热液系统可能是原始生命的起源地。因此被认为是20世纪生物学和地球科学领域的最重大发现之一。

6.准晶体 自然界的物质有着固定的晶格结构规律，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，以色列科学家发现了“准晶体”，其原子结构不具备可重复性。随后，在实验室中制造出了准晶体。2009年，意大利科学家在俄罗斯东部哈泰尔卡湖发现了天然准晶体。矿物分析表明，“准晶体”结构能天然形成，而且也能在自然环境下保持稳定。准晶体的发现，是晶体矿物学研究中的一次“颠覆性”突破。它的发现者也因此获得2011年诺贝尔化学奖。

7.量子通讯 1993年，美国科学家依据量子纠缠理论，提出了量子通信的概念。经过20多年的发展，量子通信已逐步从理论走向实验，并向实用化發展。

量子通信利用量子纠缠效应进行信息传递，量子通信最大的特点是安全性和高效性。安全性体现在两个方面：一是量子加密的密钥是随机的，即使被截获，也无法破解信息；二是分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之变化，得到的信息并非原有信息。量子通信的高效性体现在1次传输相当于经典通信方式的128次。因此，量子通讯从理论到技术将彻底颠覆现行的信号传输方式和通讯模式。

8.石墨烯 2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，两人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体；是当今宇宙中已发现的最薄的物质，具有高表面积特性，每克石墨烯的表面积达2630平方米；也是已知最高强度的物质，机械强度大约为1100 Gpa，断裂强度比最好的钢材还要高200倍；同时它还具有其他材料无法比拟的导热性和导电性，能够承载的电流强度比现有的铜材料高6个数量级。此外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。它又非常致密，即使是最小的气体原子也无法穿透。

作为目前发现的厚度最小、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称之为“新材料之王”。科学家预言，它将“彻底改变21世纪”，可能会掀起一场席卷全球的颠覆性技术革命。