您的当前位置: 首页 化学评论 正文
第六次科技革命有四大核心内涵
2013年04月09日    作者: 徐光宪    发布 : 化学科学部

来源: 科学网

邓小平同志指出“科学技术是第一生产力”。所以,解决当前世界经济危机的根本出路,在于紧紧抓住第六次科技革命。现在国内外对第六次科技革命的核心内涵都正在讨论探索之中,没有达成共识。如果我们能准确预言新科技革命的核心内涵,我们就在勇做领头羊的进程中走了关键性的第一步。

 ■徐光宪

邓小平同志指出“科学技术是第一生产力”。所以,解决当前世界经济危机的根本出路,在于紧紧抓住第六次科技革命。

中国科学院院长白春礼号召,我们中国人要勇做第六次科技革命的领头羊,担负起复兴中华的历史重任。我非常赞同白院长的号召,并认为,中国人要勇做第六次科技革命的领头羊,首先要确认第六次科技革命的核心内容。

中国科学院中国现代化研究中心主任何传启发表的《第六次科技革命的机遇》(2012年4月,第二版,科学出版社),对第六次科技革命作了大量调研、分析和探讨,他们每年发布的中国现代化报告,提供了重要的参考资料。 

现在国内外对第六次科技革命的核心内涵都正在讨论探索之中,没有达成共识。如果我们能准确预言新科技革命的核心内涵,我们就在勇做领头羊的进程中走了关键性的第一步。 

探索并独立自主地提出我们对第六次科技革命内涵的认识,可以大大启发我们的创新思维,培养高素质的创新型人才,建设创新型国家。 

本文抛砖引玉,提出第六次科技革命的核心内涵是:(1)大化学的科技革命;(2)新生命科学和技术革命;(3)钱学森先生提出的大成智慧革命和新的信息及互联网革命;(4)物理科学的革命。其中,第二条是国内外多数人公认的;第四条也是国内外常提到的;第三条是钱学森晚年的重要科学思想,但还没有得到大家的重视;第一条是国内外都没有提出的,是我个人的看法。 

当前中国和世界急需解决的问题 

我认为第六次科技革命的核心内涵必须解决当前中国和世界的迫切问题,缓解世界经济危机,使各国都走上健康的发展道路。目前大致有14个问题值得我们特别关注。 

(1)彻底改造污染环境的化工厂,建立绿色化学和化工以及冶金企业。 

(2)现在的化工原料主要来自石油或煤炭(利用煤焦油或电石)。因为它们也作为能源燃料使用,如果维持现在的消耗速度,世界的石油资源将在几十年内耗竭,煤炭资源在一二百年内耗竭。 

(3)温室气体二氧化碳的减少排放问题,即少用煤和石油,大力发展节能和新能源,如稀土节能灯,利用稀土材料做发电机的风能,利用稀土光电转换材料的太阳能,利用钍的核能等。 

(4)不可再生、不能取代的稀土等矿产资源的节约高效开采,保护环境和综合利用。开发从废品中回收稀土的技术,避免浪费和快速耗竭稀土以及其他不可再生的战略矿产资源。 

(5)淡水资源节约利用和海水的高效、低成本淡化问题。 

(6)高新技术材料的研发和化学合成问题。 

(7)海洋和太空资源(例如海底的可燃冰和月球上大量的He-3核聚变能源)的开发利用问题。 

(8)人类的健康和新药物、新医学以及人工器官的研发问题。人工生命的合成,使化学与生物学互相连接的问题。研究合成直接导向病灶的靶点药物,大幅降低药物的副作用。 

(9)人工合成固氮酶,使水稻、小麦等非豆科植物,也能利用空气中的氮,不必使用氮肥,或用生物科技新技术培养含有固氮酶的非豆科植物,引发农业科学技术的革命。 

(10)研究光合作用的基本原理,找出光合作用的催化机理,提高太阳能的利用效益,有可能引发农业技术的革命。 

(11)天气预报、地震预报、台风预报,以及其他自然和人为灾难的预防和急救问题。 

(12)军事科学技术问题。中国要呼吁世界和平,必须有先进的军事科学技术,才有维护世界和平的发言权。世界上主要国家的军力必须平衡,才能制止第三次世界大战。 

(13)和平科学的理论和实践问题。20世纪发生了两次世界大战和不断的局部战争,21世纪必须避免第三次世界大战,因为如果发生,那将是毁灭一半人类的核大战。所以必须研究和平科学的理论和实践。 

(14)研究世界人口的节制和优生优育问题,研究中国和世界各国人民和谐相处,共同富裕、共同幸福的理论和实践。 

正确认识化学科学和大化学革命 

大化学革命是第六次科技革命的主要内涵之一 

大化学(广义分子科学)革命与上述14个世界迫切需要解决问题的前10个问题密切相关。新生物学和技术革命与第8、第9、第10个问题相关。大成智慧革命和第11至第14个问题相关。物理革命对22世纪影响深远。 

为什么此前国内外还没有人提出大化学革命呢?从上世纪下半叶以来,国内外有一股淡化化学科学的思潮,认为化学是一门老科学,在20世纪没有取得重大发展,在新闻媒体和报刊上,化学很少露面。在第六次科技革命中也很少有人提到化学。笔者认为这是一种误解。 

联合国决定2011年为国际化学年,这是继2005年定为国际物理年后,对第二门基础科学的重视,也是对淡化化学学科舆论的一部分纠正,具有十分重要的意义。 

20世纪的后半叶国内外舆论对化学科学的误解 

误解之一:化学在20世纪没有提出重大科学问题。20世纪人类完成了最著名的三个重大科技工程:(1)人类基因组计划;(2)曼哈顿计划;(3)阿波罗登月计划。在这三大科技工程中,字面上都与化学无关。其实这些重大科技工程的完成,都是多学科的共同贡献,其中有一半是化学的贡献。认为化学和重大科技工程无关是误解。 

人类基因组计划虽是生物学家提出来的,但却是分析化学家完成的。其全称应该是“人类基因分子的化学测序计划”。分析化学家的贡献占75%以上。我国化学家随后独立自主完成了水稻等重要基因的测序。我国留美化学家还在改进快速测序方面作出卓越贡献,大幅减少成本,使个人全基因组测序成为可能,并作为一种遗传疾病的重要诊断手段,从而可以制定个性化的医治和保健方案,大幅度提高人类的平均寿命。 

曼哈顿计划是美国的原子弹试制计划。我国也独立自主完成了原子弹试制。这是我国核物理学家和放射化学家共同完成的任务。放射化学的贡献占50%。 

阿波罗登月计划是美国开始的,后来中国也制定了巨大的太空航天计划。这是中国航空航天科学家和工程人员完成的伟大计划,但关键导航材料的研制,登月飞船特殊新材料,以及扫描、记录、传送等新材料的研制,都是化学家的任务,贡献占25%。 所以20世纪的三大科学工程都与化学有紧密的联系,总贡献率达50%。认为化学和重大科技工程无关是严重的误解。 

误解之二:报刊上常说20世纪发明了六大技术:(1)信息技术;(2)生物技术;(3)核电站和核武器技术;(4)航空航天和导弹技术;(5)激光技术;(6)纳米技术。但却很少有人提到包括合成氨、合成尿素、合成抗生素、新药物、新材料和高分子的化学合成(包括分离)技术。 

上述六大技术如果缺少一两个,人类照样能够生存。但如果没有哈勃发明的高压合成氨和后来的合成尿素技术,世界粮食产量至少要减半,全球70亿人口有35亿要挨饿。如果没有合成各种抗生素和大量新药物的技术,人类不可能控制最可怕的天花、肺结核、伤寒、痢疾等传染病,无法缓解心脑血管病,平均寿命就要缩短25年。如果没有合成避孕药,人类就不能有效控制人口。如果没有合成纤维、合成塑料、合成橡胶的技术,人类生活要受到很大影响。信息技术的核心是集成电路芯片,这是在化学提纯制备的硅单晶片上经过化学光刻生产的,计算机的存储器材料也是化学合成的,其他部件用了大量合成高分子材料。又如核电站的关键是核燃料铀、钚等的生产和后处理、放射性废水处理等,这些都是化学工业。 

纳米技术是化学家发明并合成C-60、碳纳米管、石墨烯等纳米尺度的新材料,并发现纳米材料具有特殊性能的新技术。激光、光纤、航空、航天、导弹等技术无不需要化学合成的高新材料。所以如果没有化学合成技术,上述六大技术根本无法实现。 

但化学和化工界非常谦虚,从来不提抗议(这句话是英国《自然》杂志在2001年的评论中说的)。我们应该理直气壮地大力宣传20世纪发明了七大技术,即化学合成(包括分离)技术和上述六大技术。在20世纪发明的七大技术中,人类最迫切需要的,对人们的生活和世界经济的发展影响最大的两大发明是化学合成技术和信息技术。 

上述七大技术,按照对GDP贡献的大小来排序(依据2004年中国的统计资料),第一是与化学、化工、冶金、石油炼制、药物和高新材料的合成等密切相关的产业,总称为过程工程。原中国科学院化工冶金研究所所长郭慕孙院士非常有远见地把他们的所改名为中国科学院过程工程研究所。将来生物技术成熟了,也将很可能进入过程研究所,因为技术非常相似。 

过程工程对GDP的贡献达16.6%,位居第一。第二是信息产业,包括计算机和芯片制造、电信服务、网络服务、软件产业等。对GDP的贡献为9.0%。第三是飞机、航天、人造卫星,导弹产业。第四是核电站和核工业。这四个都是大产业,其中核燃料生产和重水的生产实际上是化学工业,但划入核工业计算。第五是生物技术和生物产业,2004年占GDP还不到1%,但发展前途远大。第六是纳米产业。第七是激光技术产业。 

误解之三:化学是一门有二三百年历史的老科学,没有多大发展前途。事实上,化学是创造新物质最多的科学,是20世纪发展最快的一级基础学科之一。 

1900年在《美国化学文摘》(CA)上登录的,从天然产物中分离出来并确定其组成的,和人工合成的已知化合物只有55万种。经过45年翻了一番,到1945年达到110万种。再经过25年到1970年又翻一番,为236.7万种。以后新化合物增长的速度大大加快,到2011年9月14日CAS登录号已达11685万种,其中测定的生物大分子化学序列6314万种,合成的新药物、新材料等广义的新分子5371万种,比1970年增长50倍。没有一门其他科学能像化学那样在过去的110年中,创造出如此众多的新物质,并在过去的40年中使CAS的化学物质登录号增加近50倍。 

上面是从数量来看合成化学的成就,从质量和重要性来看,合成和分离化学共获得了41项诺贝尔奖。其中对人类至关重要的发明可举例如下: 

其一,哈勃(F.Haber)在1909年发明了用锇做催化剂的高压合成氨技术,在1918年获诺贝尔奖。C.Bosch 改进了合成氨技术,获1931年诺贝尔奖。这一合成氨技术,被国外传媒评为20世纪最重大的发明,因为它解决了最重要的世界粮食生产问题。 

其二,W.N.Haworth 人工合成维生素C,获1937年诺贝尔奖。R.Kuhn人工合成多种维生素,获1938年诺贝尔奖。A.Butenandt 发现并分离提纯多种性激素,G.Domagk 发现能抗菌的磺胺药,获1939年诺贝尔奖。A.Fleming、E.B.Chain、H.W.Florey 发现青霉素的治疗效果并发明其生产技术,获1945年诺贝尔奖。R.Robinson 研究分离提纯生物碱,获1947年诺贝尔奖。S.A.Waksman 发现链霉素,获1952年诺贝尔奖。这些维生素、抗生素、激素和其他新药物的合成,对人类健康作出很大贡献。 

其三,H.Staudinger 研究高分子聚合的原理,获1953年诺贝尔奖。K.Ziegler、G.Natta 发明用于高分子合成的Ziegler-Natta催化剂,获1963年诺贝尔奖。Alan J.Heeger、Alan G. MacDiarmid 研究合成导电性高分子,获2000年诺贝尔奖。高分子合成化学的发展大大提高了人类的生活水平。 

其四,柯尔(R.F.Curl)、斯莫利(R.E.Smally)、克鲁托(H.W.Kroto)于1985年发现碳元素的第三种存在形式——巴基球(富勒烯),其中最重要的是C-60。富勒烯可以制成新的超导材料、有机化合物、高分子和纳米材料,获1996年奖。化学合成了零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯等纳米材料。所以纳米科学是在化学合成科学的基础上建立起来的。 

化学的中心学科形象被其交叉学科的巨大成就所埋没 

化学在“数理化天地生”六门传统科学中是承上启下的中心科学。化学又是一门社会迫切需要的中心科学,化学与人们的生活有非常紧密的联系。化学是与信息、生命、材料、环境、能源、资源、地球、海洋、空间和核科学等十大新兴或朝阳科学都有紧密联系、交叉和渗透的中心科学。 

化学与十大朝阳科学和六大基础学科之间产生了许多重要的交叉学科,但化学家非常谦虚,在交叉学科中放弃冠名权。例如“化学生物学”被称为“分子生物学”,“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”,“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”,“固体化学”、“液体化学”、“溶液理论”被称为“凝聚态物理学”,“高分子物理化学”被称为“软物质物理学”等。 

这样化学这门重要的中心科学(Central science)反而被社会看做是配角,是伴娘科学(Bridesmaid science)而不受重视。世界著名的《自然》杂志也为化学家鸣不平,在2001年发表了评论。评论中提到“当其他学科从自己的成就中声名远扬时,化学往往发现本学科中最辉煌的成就的名声被其他学科所占有”。哈佛大学教授George Whitesides也说:“许多化学中最有趣的部分往往被称作别的名字。我从来没弄清化学家们是怎么回事,他们总是过于谦虚和本分。他们发现了这些有趣的技术,别人把它们拿走了,他们居然不喊不叫也不抱怨。你从来不会发现一位生物学家会容忍别人把他们所做的东西这样拿走。”化学家的谦虚本是美德,但因此吸引不到优秀的年轻学生。化学缺少优秀生源,就会影响到十大前沿新兴科学的发展,这个问题就大了。 

第六次科技革命的核心内涵 

第六次科技革命的核心内容,按照重要性大小的次序是:1. 大化学(广义分子科学)与技术革命;2. 生命科学与技术革命;3. 大成智慧革命;4.物理科学革命。 

1.大化学与技术革命 

大化学与技术革命的内涵,首先要为中国和世界当前迫切需要解决的问题服务。例如在前面提到的14个问题中的前10个问题都与大化学有关。为了直接解决前三个问题,化学科学和技术必须进行彻底的革命。 

(1)有机化学将从碳氢化合物及其衍生物的化学向碳水化合物及其衍生物的化学转变,化工流程都要完全改变,教科书要重写。 

20世纪有机化合物的原料主要从石油和煤焦油来,所以有机化学定义为碳氢化合物及其衍生物的化学。按照现在的消耗速度,世界石油储量将在几十年内耗竭,煤炭将在一二百年内耗竭。这样有机化合物的原料不得不改为可以再生的植物资源,有机化学也将改为碳水化合物及其衍生物的化学。这是革命性的变化。 

(2)绿色化学、原子经济化学和循环化学的革命。 

20世纪的化工企业造成严重的环境污染,这种情况必须彻底改变。要大力发展原子经济的循环化工流程。人们敬而远之的化工企业要改造成为花园式的绿色企业。 

(3)新药物和人工器官的合成及组装导致新医药革命。 

(4)稀土风能发电机、稀土节能灯、新光电转换材料、海底可燃冰开发和利用、重水聚变和月球He-3的开发等,将引起新能源革命。 

(5)天然植物中只有豆科植物的根瘤能够吸收利用空气中的氮,别的农作物如水稻、小麦必须使用氮肥。如果人工合成固氮酶成功,则可以不用化肥,直接利用空气中的氮。这将引起农业革命。上世纪50年代有远见的化学家卢嘉锡院士、唐敖庆院士、蔡启瑞院士等提出固氮酶课题,他们先从理论着手,提出固氮酶的“福州模型”和“厦门模型”,和后来国外学者从天然固氮酶中提出的结晶非常相似,进一步准备人工合成固氮酶,但因没有得到大力支持而中断。 

(6)化学的繁荣将推动化学生物学和分子生物学的大发展,从而促进生命科学和医学的大发展,大幅度延长人类寿命。 

2. 生命科学与技术革命 

生命科学和技术是第六次科技革命的核心内涵,这是极大多数学者的共识。 

(1)新的生物学是在分子水平上建立的生物学,而化学是研究分子的科学,所以大化学革命是生命科学革命的重要基础。 

(2)新的生物学革命将是以分子生物学为基础,把传统的宏观生物学、生物分类学、遗传生物学、思维和神经科学等等整合成系统生物学,将进行仿生、创生、再生,直到永生的革命。 

(3)通过新生物学革命,人类对自身的认识,将从无知到越来越明白自身的特点。人类基因组计划用了数十亿美元的资金。但由于近年快速基因化学测序法的发展,成本已降低到几百美元,所以每个人都有可能明白自己的遗传基因中有哪些致病基因,并加以预防和消除,加上新的、减少副作用抗癌药物和心血管药物的合成,新的再生医学技术的广泛临床应用将使人类的平均寿命大幅延长。 

(4)中国人的平均寿命:1949年35岁,1978年68岁,1991年69岁,2010年74岁。建国61年增加39岁,平均年增0.64岁。新生物学革命将加快这一进程。保守估计,仍保持年增0.64岁的速度,则到2050年平均寿命应为100岁,到2100年应为132岁。 

我们可以提出一个新的社会发展指数,称之为“人才的工作年限和教育年限比”。例如现在一个人从出生到大学毕业需23年,67岁退休,工作年龄44年。“工作与教育年限比”=44/23=1.91(2010年)。到了2050年,平均寿命达到100岁,退休年龄可到90岁,工作年龄67年,“工作与教育年限比”=67/23=2.91(2050年)。这样在40年中“工作与教育年限比”增长1.00,平均每年增长0.025,即2.5%。这个2.5%的增长,是最富有经验的人力增长。它将至少增加GDP 2.5%。这是了不起的贡献。 

人类的平均寿命将从现在最高的八十余岁延长到本世纪末的150岁。有效工作年限将大幅提高,一生创造的财富和对社会的贡献将大幅提高,退休年龄每两年将至少提高一年。医学除疾病的治疗外,将关注预防和保健教育。 

3.人机结合的大成智慧革命 

大成智慧科学和大成智慧办公厅的设想是钱学森首先提出来的,是用人与计算机结合,来解决中国和世界这个复杂开放的巨系统的自然界和社会的各种问题。它涉及数学、系统科学、信息科学、计算科学、虚拟现实、网络技术、云计算技术和大数据库技术,天气、地震和灾害预报,经济危机预报和消解,消除第三次世界大战的风险等众多科技和社会问题的新方法。 

4. 物理科学的革命 

19世纪与20世纪之交,物理学的上空产生了几朵乌云,导致少数具有非凡天才的科学家,如爱因斯坦、波尔、薛定谔、Heisenberg、Dirac 等创建相对论和量子力学,引起20世纪科学的革命。 

20世纪和21世纪之交,物理学上空同样有几朵乌云,例如相对论和量子力学如何统一?什么力量引起宇宙的加速膨胀?什么是暗能量?两者之间有没有关系?要解决这些问题很难,只有少数超人智商的人才可能去探索解决这些理论难题。它的影响可能在22世纪。 

紧急呼吁教育部在高等学校自主招生理科考试中保留化学: 

最近获悉,从今年开始,教育部将实行高等学校自主招生理科考试不考化学,只考数理两门。这将严重削弱化学科学的中等教育,严重加深社会人士、中学生和家长们对化学的轻视和误解,减少大学化学系的优秀生源,严重伤害中国做第六次科技革命的领头羊,也会影响中华复兴的大业。美国SAT考试相当于中国高考,其中化学的分量很重,还包含化学实验。为了减轻高中生的负担,我们可以借鉴美国的办法,让高中二年级的学生也能参加高考中1至3门课程的考试,如果获得满意成绩,三年级考试可以免考已考过的课程,避免了“一试定终身”的巨大压力。 

作者简介: 

徐光宪,中国科学院院士,北京大学化学与分子工程学院教授。 

《中国科学报》 (2013-04-01 8 智库)


版权所有 ©   国家自然科学基金委化学科学部   2018
地址:北京市海淀区双清路83号      邮编:100085
请使用Chrome或IE8以上浏览器  Email:chemoffice@nsfc.gov.cn