关于基础理论创新的思考

刘仁志

0 前 言

2023年2月22日晚，中央电视台《新闻联播》播出一则关于中共中央政治局集体学习加强基础研究的新闻。这则头条新闻对一直关注基础理论创新的科研工作者们而言，无疑是一条重磅消息，具体内容如下：

“中共中央政治局2023年2月21日下午就加强基础研究进行第三次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调，加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。各级党委和政府要把加强基础研究纳入科技工作重要日程，加强统筹协调，加大政策支持，推动基础研究实现高质量发展。

当前，新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，学科交叉融合不断发展，科学研究方式发生深刻变革，科学技术和经济社会发展加速渗透融合，基础研究转化周期明显缩短，国际科技竞争向基础前沿前移。应对国际科技竞争、实现高水平自立自强，推动构建新发展格局、实现高质量发展，迫切需要我们加强基础研究，从源头和底层解决关键技术问题。”

在学习会上，习主席作了重要讲话，他指出：“要强化国家战略科技力量，有组织地推进战略导向的体系化基础研究、前沿导向的探索性基础研究、市场导向的应用性基础研究，注重发挥国家实验室引领作用、国家科研机构建制化组织作用、高水平研究型大学主力军作用和科技领军企业‘出题人’‘答题人’‘阅卷人’作用。要优化基础学科建设布局，支持重点学科、新兴学科、冷门学科和薄弱学科发展，推动学科交叉融合和跨学科研究，构筑全面均衡发展的高质量学科体系。”此外，习主席还特别提出，“实施差异化分类管理和国际国内同行评议，组织开展面向重大科学问题的协同攻关，鼓励自由探索式研究和非共识创新研究。”

习主席最后强调：各级领导干部要学习科技知识、发扬科学精神，主动靠前为科技工作者排忧解难、松绑减负、加油鼓劲，把党中央关于科技创新的一系列战略部署落到实处。

这些具体而精准的战略决策，高瞻远瞩，鼓舞人心，令人感慨万千而又跃跃欲试。特别是“鼓励自由探索式研究和非共识创新研究”这句话，对解放思想和促进基础理论的科学探索具有重要意义，同时也是对民间科学家的一种极为重要的肯定。这一政策的出台，缓解了一度困扰民营企业科技人员基础理论创新工作缺乏平台支持的难题，使民营企业科技人员有望在国家科研机构建制化组织的平台，就基础理论创新问题与国家机构科研人员一起协同攻关，发挥自己的才能，为国家科学基础理论的强化做出贡献。

事实上，此前中国科学院已在这方面做出了表率。笔者作为民营企业科技人员，有幸作为中科院学部咨询评议项目“我国电子电镀基础与工业的现状和发展”课题的成员（顾问），参与了中科院学部“高端电子电镀技术”课题的咨询评议工作。且在课题完成后，还参与编撰了《中国科学院院士建议》。建制内因为编制和年龄等条件的限制，民间科学家很难有机会参与到国家科研项目中。“顾问制”作为一种建制创新，很好地解决了这一问题。在这一制度下，民企科技人员可以以技术顾问的身份，参与到建制平台的工作中。建立“独立顾问”或设立“顾问委员会”，已经逐渐成为一些科研和管理平台常用的加强组织作用的举措。笔者也经常会被一些科研机构和企业聘为顾问或在大学兼职和讲学。这种开放的平台，为各行业专家在各自擅长的领域为社会做贡献提供了机制保障。

但不得不承认的是，在基础理论探索方面，民间人士提出的相关课题和观点，特别是“非共识”理论，极少能被业界同僚认同。据相关资料表明，一些民间人士自费出版的与理论物理有关的新观点的著作，鲜有人问津。诚然，基础理论的研究确实存在一定门槛，对研究人员的身份、地位、学历等都有一定的基本要求。而民间人士在这方面往往存在较为明显的短板，因此，他们的课题常常在初审阶段，就会被直接“扔掉”。即便是一些有一定知名度的专业人士，倘若其研究课题不是本人的专业领域，而是跨学科涉入的基础理论研究，也往往得不到支持。尤其是在一些有“定论”和权威理论的领域，这些民间科学家提出的“非共识”创新理论，常常会被当成“另类”而无法进行更深一步的讨论和研究。因此，在推进基础理论创新时，既要强调国家科研机构建制化组织的作用，同时也要注重非建制科研人员的作用，根据实际情况制定具体的措施并加以实施。中共中央政治局带头加强基础理论的学习，提出新的理念和举措，为面对当前竞争激烈的国际环境和复杂形势，调动全民科技力量，打牢国家科学理论基础提供了强大推动力。

1 基础理论领域面临的挑战

科学基础理论从大的方面可以分为两大类，一是自然科学理论体系，一是社会科学理论体系。这两大体系又各有自己的分支，尤其是自然科学体系，仅物理一系，就有各种各样的分支。其中，理论物理学是所有物理学的基础。化学、生物学等也都有许多分支，跨学科间的交叉融合与学术碰撞，带来了许多创新与变革。在当今数字化和智能化的时代，大量科技创新的新产品、新工艺和新材料涌现出来，由此而引发了一系列难以用传统理论解释的问题，这时就需要基础理论创新来予以阐释和解决。社会科学的理论创新也很迫切。在世界巨变的形势下，社会形态和意识形态面临着诸多重大挑战，这些都依赖社会基础理论予以诠释和解读。特别是我国创新型社会主义制度下的一些理论问题，更需要有创新理论的支持。

关于这两大体系中的基础理论问题，既需要有人提出并解答，也需有一个平台来评判答案。同时，对提出的问题和回复的答案，还需有建制平台予以响应。倘若没有相应平台的反馈，没有进一步的讨论和研究，就简单地排除和封存，理论创新就会变成空谈。

笔者长期从事于电化学应用工艺领域，经过多年的努力学习和工作，在这个专业领域取得了些许成绩，并发表了大量技术论文和出版了几十本专业著作。由于长期在生产和科研一线从事具体工艺课题的研究工作，亲身碰到到过许多工艺问题，这些问题的起因解释及解决方法都涉及到电化学基础理论。特别是微电子产品制造包括芯片制造中遇到的电化学沉积的问题，用经典共识理论去分析，很难找到较为合理的答案。

2019年，笔者在《表面工程与再制造》发表了“谈谈量子电化学”一文[1]。这是首次在正式出版的行业类专业期刊上介绍了量子电化学理论。这一理论的创新应用很好地解释了关于电子电镀技术是芯片制造不可或缺的技术的问题。

通过将“量子电化学”理论引入到电化学沉积即电镀领域中，可以很好地诠释电化学应用中的一些基础理论问题。“量子电化学”理论对金属电沉积过程做了量子化的诠释，定义了电镀过程是原子级别的增量制造过程，从而很好地解释了在纳米级芯片线槽内，只有电镀结晶才可以实现填充并完成芯片内集成电路互联的过程。当前，高端电子制造离不开电镀技术的支持，这使得在完善和加强芯片制造全产业链的各个环节中，电子电镀技术逐渐得到了人们的重视，今年第2期的《中国科学院院士建议》就是一个很好的证明。在此基础上，笔者还撰写了《量子电化学与电镀技术》一书[2]，同时修订再版了《电子电镀技术（第二版）》和《整机电镀技术》，在电化学应用领域做出了一些探索。这些并不是终点，而只是一个新的领域的起点。

2 一个“非共识”理论的例子

这个新的非共识理论属于分子生物学领域，可以暂时称之为“量子生物电化学”领域[3]。这不是心血来潮推想的概念，而是在几个方面持续关注而引申的结果。再加上新冠病毒的全球性流行事件中的病毒行为学方面的问题，更催生出这样的一种思考。

这几个方面主要包括：一个是前面已提过的电化学领域；另一个则是2019年出版的《光子信息》一书介绍的领域[4]，关于物质自组装过程的猜想。通过元素的形成和应用联想到物质会由简单向复杂进化及自组装行为等问题的思考，这些均属于基础理论问题。物质进化到高级形式就是生命，这就涉及到了生物学。生物进化论是公知的理论。而细菌和病毒则是微生物学领域研究的范畴，它们的进化（变异）的特征及遵循的机理或进化过程中涉及的生物信息收集和传递，都是值得研究的课题。生物信息的研究通常被认为是一个成熟和共识的基础研究。生物电化学是这个研究领域中最基本也是最重要的理论。至于《生物信息学》，则是以计算机生物信息库为载体的学科体系，大学设有相关专业课程，同时也有大量直接以此作为书名的著作[5]。但是这个领域内的大部分书籍主要并非描述生物体内的信息（例如神经信息传递、生物电传导等）和生物体个体与群体之间的信息发布与接收等方面的问题，而是讲述生物信息的收集与电子计算机的处理与应用等。当新的问题或新的现象出现时，这些经典生物学理论往往就不能给出具有说服力的解释了。笔者在2019年和2020年的《表面工程与再制造》杂志上提过这个全新领域的问题，详细内容可见2019年发表的《表面电位与生物电》[6]和2020年发表的《膜电位的本质》[3]。

微生物学和分子生物学以及现代医学一直都采用生物电化学理论来讨论和研究相关问题，其中一个重要的理论就是细胞膜内外离子迁移引起的“生物电”电位的变化，我们可以简称为膜电位理论。膜电位的变化对应一定的生理变化，这可以用来检测人体相关部位“生物电”发生变化对应的组织异常状态。例如脑电图和心电图等，都能较好地反映出相应部位组织病变产生的不正常电位波动。而这些电位变化是由细胞内离子的迁移发生变化引起的。研究表明，产生膜电位的重要离子主要有Na+、K+和 A-离子（带负电荷的细胞内的大蛋白质分子，仅存在细胞内，且膜对它无通透性）。其他离子，如Ca2+、Cl-、Mg2+等离子在大多数细胞中对电位无直接贡献。

2018年12月19日，颜宁教授应邀访问山东大学青岛校区，并作了题为“电信号是如何产生的？导航通道的结构和机制研究”（How is electrical signal generated? Structure and mechanistic investigations of Nav channels）的学术报告[7]。她在报告中指出钠离子电压门控通道在兴奋性细胞中参与维持静息电位和动作电位的发生，与正常的生理功能调控以及疾病的发生密切相关。颜宁从钠离子通道的结构入手，首先解析了细菌中的钠离子通道NavRh的结构，随着冷冻电镜技术的革新，进一步解析了真核生物蟑螂和电鳗的钠离子通道结构，以及人的Nav1.4通道的结构；分享了在解析人的Nav1.4通道的结构中遇到的瓶颈和解决思路，重点谈到优化膜蛋白Nav1.4的蛋白性质和解决冷冻电镜样品制备中蛋白变性问题；修正了传统的钠离子通道活性调控的“Ball and Chain”模型，提出了变构阻断机制。

颜宁教授科普的这个问题，正是我们需要进一步探讨的问题，即生物电信号是如何传递的。

生物电的研究可以追溯至伽伐尼医生著名的青蛙实验，距今已有两百多年的历史。目前，人们大都接受了生物电的概念，但生物电在体内的传导方式一直都没有一个明确的说明。生物体，特别是动物，是一个极为复杂的电解质体系，基于此，用离子导电理论即电化学理论来探讨生物电问题逐渐成为共识，并在此基础上建立了完整的理论体系。当前，人们普遍认为生物电信息的传导方式是离子传导，且这个理论已在现代生物学特别是医学领域的上广泛应用，效果显著。但是，用这个理论来研究生物电传导会有一定的局限性，其中的两个重要的问题是：一个是生物电信息在个体内传导的速度问题；另一个则是生物群体之间生物电信息传导的问题。生物群体间信息传导的研究在生物学中没有放在“生物电”层面进行探讨，而是作为生物行为学的内容进行研究。举个简单的例子，用气味、声音、动作等在群体中传递信息是各种动物常见现象，至于人类则有更为高级的信息传递体系。但是，就生物电信息这个重要的概念而言，如何在群体之间传递，用离子传导理论无法完全解释清楚。一种可能的研究方向是探究生物电磁波存在的传导机制，即将量子电化学应用到生物电化学中来，而这也正是笔者目前极力探究的方向。

鉴于此，笔者希望通过《表面工程与再制造》这个专业而权威的媒体平台发出呼吁，希望有资源的体制内平台重视这方面的问题，并部署相关的研究课题。这将是原创性和前沿性的课题，目前可参考的资料较少，需努力地探索，特别是在研发新的生物电磁波接收装置方面将会困难重重，但却极富挑战性和吸引力的。

期待这个创新课题能得到相关平台或科研团队的积极响应。