工程與科學(xué)技術(shù)的融合共進(jìn)論工程在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展中的作用和意義（上）

欒恩杰/文

關(guān)于科學(xué)、技術(shù)與工程的關(guān)系有許多學(xué)者多有論述，在這里只就工程在其中的作用并結(jié)合航天工程中的實踐講幾個觀點。

一、工程、技術(shù)、科學(xué)之間的“無首尾邏輯”

宇宙萬物的發(fā)展皆有初始有終結(jié)，有因有果，故而有先有后。我們稱這種因果演生為邏輯，也即客觀的規(guī)律性。但客觀世界在其生生息息、不斷演化的過程中，會將原始之初的突變掩蓋住，留給我們的是難以簡單回答其首尾的過程。比如，我們經(jīng)常提及的“到底是雞生蛋還是蛋生雞”問題。這種現(xiàn)象，我稱其為“無首尾邏輯”現(xiàn)象。在當(dāng)下，考察工程、技術(shù)、科學(xué)發(fā)展歷程，我們發(fā)現(xiàn)，三者之間也存在這種“雞和蛋”的關(guān)系。

人之進(jìn)化始自工具之制造，所以才有石器時代、青銅時代、鐵器時代之分別，有了工具才有了人類生存狀態(tài)之轉(zhuǎn)變，才有了對自然界認(rèn)識的深化和提高，從這一邏輯上看，是勞動和工具的創(chuàng)造成熟了人類，是勞動和工具提高了人類認(rèn)識自然的能力。

科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造于勞動，在科學(xué)和技術(shù)從人類活動中抽象出獨立概念后，我們也可以將人類有目標(biāo)性的勞動/工具制造作為廣義的工程，那么，有了這種人類勞動就有了內(nèi)含的工程意義的存在。就人才形成而論，也是先有勞動者、工程師，后有技術(shù)專家和科學(xué)家。從這個意義上說，工程是先導(dǎo)者。

科學(xué)發(fā)展推動了技術(shù)更新，帶動重大工程的實現(xiàn)，從而改變?nèi)祟惿鏍顟B(tài)，然而這只是工程—技術(shù)—科學(xué)—技術(shù)—工程這個循環(huán)的后半段。

美國社會學(xué)者司托克斯認(rèn)為，“在人類歷史的大多數(shù)時期，實踐技術(shù)都是由那些不懂基礎(chǔ)科學(xué)又不受惠于基礎(chǔ)科學(xué)的人來完善的。直到十九世紀(jì)末“第二次工業(yè)革命”發(fā)生時，情況才有了改變。因為物理學(xué)帶來了電力，化學(xué)帶來了染料，生物學(xué)促進(jìn)了公共衛(wèi)生健康事業(yè)?！彪m然現(xiàn)代工程離不開經(jīng)牛頓等人創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)以及隨后的電、磁、化學(xué)的科學(xué)進(jìn)展，或20世紀(jì)上半葉物理革命帶來的成果?！暗珪r至今日，許多技術(shù)創(chuàng)新并不需要科學(xué)進(jìn)步的刺激，而認(rèn)為“技術(shù)以科學(xué)為基礎(chǔ)”的觀點是錯誤的?！?/p>

典型的例子如愛迪生的眾多發(fā)明改變了人們的生活狀態(tài)，而很難說這些發(fā)明建立在那個時代的科學(xué)進(jìn)步之上。在建筑領(lǐng)域，清代樣式雷在龐大的故宮建筑工程中大量采用的榫卯和斗拱結(jié)構(gòu)有很好的抗震能力，這是從工程經(jīng)驗中得來的。日本上世紀(jì)相當(dāng)長時期在汽車和家電領(lǐng)域居霸主地位，并非因為科學(xué)進(jìn)步成果的進(jìn)一步應(yīng)用，而是通過了解消費(fèi)反饋，結(jié)合價格因素，對產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝的迅速調(diào)整，設(shè)計制造出更好的產(chǎn)品。

二戰(zhàn)之前，固體物理學(xué)的先驅(qū)已為戰(zhàn)后晶體管的誕生奠定了理論基礎(chǔ)，但后來按摩爾定律呈現(xiàn)的一代代體積更小、速度更快的半導(dǎo)體發(fā)展，已變成了技術(shù)的、而非科學(xué)的驕傲。隨著微納化進(jìn)程，不斷有新的發(fā)現(xiàn)，牽引更多新的基礎(chǔ)知識需求，可能對基礎(chǔ)物理學(xué)和未來的技術(shù)都非常重要。

第二次工業(yè)革命以來，一方面，至少在某些領(lǐng)域，科學(xué)能提供大量的技術(shù)，而且在20世紀(jì)，隨著技術(shù)越來越多地建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，這一趨勢不斷增強(qiáng)。但另一方面，一個被忽略的現(xiàn)象是，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為科學(xué)研究的更為重要的源泉，基礎(chǔ)科學(xué)探索中的許多結(jié)構(gòu)和過程只能利用技術(shù)成就來揭示問題。在某些情況下，科學(xué) “只能存在于”技術(shù)當(dāng)中，因此，越來越多的科學(xué)已成為派生的“技術(shù)”。

就工程與科學(xué)而言，由工程進(jìn)步帶動科學(xué)發(fā)展的例子不勝枚舉，比如十九世紀(jì)法國工程師薩迪·卡諾通過對蒸汽機(jī)的研究，創(chuàng)立了熱力學(xué)理論；法國工程師納維爾在總結(jié)自己對于吊橋的理論思索時，成為納維爾—司托克斯方程的創(chuàng)立者。我們懷念身兼天文學(xué)家和工程師的南仁東同志，有了500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的“天眼”工程，我們在天文學(xué)領(lǐng)域就可以有更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)工程—技術(shù)—科學(xué)—技術(shù)—工程這個循環(huán)運(yùn)行到當(dāng)代，我們已經(jīng)很難將其頭尾分開，在這個邏輯中找不到何處是始發(fā)點，找不到邏輯的頭，似乎與雞生蛋、蛋生雞式的“無首尾邏輯”一樣。恰如美國化學(xué)家朗繆爾1932年獲得化學(xué)諾貝爾獎后所說，“認(rèn)識物理規(guī)律與取得技術(shù)進(jìn)步是同一過程的不同部分。”

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，基礎(chǔ)科學(xué)理論的發(fā)展趕不上工程技術(shù)進(jìn)步的現(xiàn)象并不鮮見，很多新興領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論都產(chǎn)生于針對工程技術(shù)進(jìn)行的試驗當(dāng)中，故而構(gòu)成了“工程-技術(shù)-科學(xué)”的邏輯關(guān)系。重大工程牽引技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展是不爭的事實，這是工程—技術(shù)—科學(xué)—技術(shù)—工程這個循環(huán)的前半段。

對科學(xué)、技術(shù)、工程這三者關(guān)系的現(xiàn)實表征應(yīng)當(dāng)是：互相依賴、互相依存、互相推動的融合體狀態(tài)，三者是融合體的共同發(fā)展，呈協(xié)同推進(jìn)的態(tài)勢。

在講到工程科學(xué)技術(shù)的融合共進(jìn)這個題目時，我們可以回顧一下2017年諾貝爾物理學(xué)獎的故事（請參見“曹俊科學(xué)網(wǎng)博客文《歷史上第一次，諾貝爾獎頒給了一位杰出的“科學(xué)經(jīng)理人”》”）。

三位獲獎?wù)撸ㄈ吆献?0余年）：

韋斯（Rainer Weiss）：發(fā)明了利用干涉儀探測引力波的裝置；分析了探測器的噪聲源，并排除其各種干擾以獲取引力波信息。

索恩（Kip S. Thorne）：在理論上為引力波探測的數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)，提出控制噪聲的方法。

第三位巴里什（Barry C. Barish）：是LIGO工程的管理者。按1979年諾獎得主格拉南（Sheldon Glashow）的說法是：如果沒有巴里什，根本就沒有引力波的發(fā)現(xiàn)。

概括一下，巴里什的貢獻(xiàn)應(yīng)當(dāng)包括：

以對工程的深刻理解的自信去贏得決策者的信任，實現(xiàn)國會和基金會對項目預(yù)算從2億美元增加到3億；制定四年完成基建，然后用兩年半完成儀器安排的計劃；完成激光、探測儀、鏡片、懸掛裝置、控制系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)、長臂管道等關(guān)鍵技術(shù)的突破、方案設(shè)計、并組織攻關(guān)；選定華盛頓州和路易斯安那州（相距3000km）兩處地址建設(shè)干涉儀系統(tǒng)；確定將原設(shè)計的氬離子（argonion）氣體激光改為固體激光器，以提高其功率和頻率和穩(wěn)定性（Nd：YAG的波長在近紅外而不是原來的可見光）；將模擬量改為數(shù)字量的升級。

作為項目主管，從1997年至2016年（當(dāng)時他整整80歲），他重新組織團(tuán)隊，改變管理方式、更新技術(shù)手段，有些設(shè)計從頭再來。這位探索磁單極存在的物理學(xué)家在引力波探索上成為領(lǐng)軍人物，且被諾貝爾獎評委會認(rèn)可。這三位獲獎?wù)?，一位是理論貢獻(xiàn)，一位是技術(shù)貢獻(xiàn)，一位是工程組織者。

我們不得不對這個人類認(rèn)識宇宙的偉大發(fā)現(xiàn)被證實而叫好！因為它開啟了人類探測宇宙的一扇新窗。我們不得不對這份諾獎頒給完成這項探索工程的英雄團(tuán)隊的組織者的諾獎創(chuàng)新而叫好！因為在當(dāng)今時代，科學(xué)技術(shù)工程已經(jīng)緊緊地結(jié)合在一起，當(dāng)今的時代是工程科學(xué)技術(shù)融合共進(jìn)的時代。

在我們分析“工程-技術(shù)-科學(xué)-技術(shù)-工程”的不斷循環(huán)中，我們感受到“工程”在其中所起的“扳機(jī)”作用和基礎(chǔ)性載體的地位，因為是工程直面人類的生存需求，工程又直接聯(lián)系著技術(shù)的應(yīng)用和科學(xué)的基礎(chǔ)。

從LIGO看技術(shù)的關(guān)鍵作用：2017年諾貝爾物理學(xué)獎落定，LIGO的三位功臣當(dāng)之無愧地成為國際同行專家預(yù)料到的被選者。我們對其公開的關(guān)鍵技術(shù)點，所取得的成就驚嘆，但我們在剖析這些技術(shù)的時候又感到并不陌生。

比如固體激光器（Nd：YAG，釹釔鋁石榴石激光器）是1990年代的技術(shù)成果；但在工程系統(tǒng)中是將可見光束變成了不能用肉眼觀察的紅外光束；由此帶來的是反射鏡面的鍍膜要重新設(shè)計，引起整個干涉儀要適應(yīng)能夠追蹤不可見的激光走向。這是一個技術(shù)問題。

比如“懸鏡”問題，初期的干涉儀（iLIGO）是金屬絲直接吊起的11kg重的鏡子，由于自重越大，慣性越強(qiáng)，穩(wěn)定性越好，所以新版干涉儀（aLIGO）鏡子變大，直徑34厘米、厚20厘米、重達(dá)40kg，且用多達(dá)四層的懸擺裝置逐層懸掛，最底下吊著鏡子的是的熔融石英絲，既能承重又夠纖細(xì)的“吊繩”。熔石英也是成熟的技術(shù)，我在航天某工程的研制中就曾接觸過耐高溫的熔石英玻璃，但在系統(tǒng)中要完成鏡子和支架之間的耦合隔離，還要設(shè)計針對抵消干擾的反饋控制設(shè)備，使鏡子保持精確的位置不動。為了均衡反射鏡受力、受熱的影響，還增加了一個二氧化碳激光以精確調(diào)制的光束同時照射其它部位。這也是一項技術(shù)問題。

總之，這個工程的技術(shù)關(guān)鍵突破是實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的基本保證。

所以，正如司托克斯所說，片面地強(qiáng)調(diào)“技術(shù)以科學(xué)為基礎(chǔ)”的觀點是錯誤的。許多技術(shù)創(chuàng)新并不需要科學(xué)進(jìn)步的刺激而產(chǎn)生，甚至科技創(chuàng)新已成為科學(xué)研究的更為重要的源泉。

二、工程在“無首尾邏輯”中的“扳機(jī)”作用

1、對“巴斯德象限”的延伸思考

司托克斯1999年出版了《基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新：巴斯德象限》。他把追求基本認(rèn)識用縱軸表示，將是否考慮應(yīng)用作為橫軸，由此形成有四個象限的二維表，以此表達(dá)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的關(guān)系。左上象限是只受認(rèn)知需求引導(dǎo)、不受實際應(yīng)用引導(dǎo)的基礎(chǔ)研究，稱玻爾象限（玻爾對原子結(jié)構(gòu)模型的探求明顯是純粹的科學(xué)發(fā)現(xiàn)）；右下象限是由應(yīng)用目的引起的研究，不尋求對某一科學(xué)領(lǐng)域的全面認(rèn)識，稱愛迪生象限（愛迪生從事具有商業(yè)利潤的發(fā)明，不追求深層次的科學(xué)意義）。右上象限反映了受到應(yīng)用目的影響的基礎(chǔ)研究（應(yīng)用基礎(chǔ)研究）,稱巴斯德象限（巴斯德同時從事認(rèn)識和應(yīng)用研究并將兩個目標(biāo)結(jié)合起來）。左下象限的物理意義既不十分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，也不十分強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究，所以是空白。

我們以“知識”的角度重新演繹這個二維表，將基礎(chǔ)知識性和應(yīng)用知識性作為二維表的縱軸和橫軸：左上象限為基礎(chǔ)知識，右下象限是技術(shù)知識，左下象限為學(xué)科知識，右上象限是工程知識。這張表從一個角度反映了工程、技術(shù)、科學(xué)的關(guān)系。重要的一點是：現(xiàn)代工程的實施，既需要相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)成果支撐，集基礎(chǔ)知識和技術(shù)知識之大成；同時對科學(xué)技術(shù)發(fā)展又發(fā)揮著牽引、支持和推動作用。這就是我們?yōu)槭裁凑f，工程在“無首尾邏輯”循環(huán)中，能起到“扳機(jī)”的作用。

2、工程成果的科學(xué)基礎(chǔ)作用

當(dāng)代基礎(chǔ)科研離不開技術(shù)進(jìn)步的支持，這一點已被廣泛認(rèn)知，單靠實驗室的實驗，獨自個人成功的案例愈來愈少。工程設(shè)施的保障已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步的重要條件。如果沒有太空觀測手段的進(jìn)步，難以推進(jìn)天文學(xué)、宇宙學(xué)的發(fā)展。由于COBE衛(wèi)星的發(fā)射獲取了空間背景的信息，美國科學(xué)家約翰·馬瑟等人發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性，而獲得當(dāng)年的諾貝爾獎。沒有LIGO（激光干涉引力波天文臺）等探測手段的進(jìn)步，難以驗證愛因斯坦基于廣義相對論對引力波的預(yù)言。而依靠大型工程設(shè)施的保障，這種工程化的科研已成為基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步的重要形式和重要條件，這樣的成功例子則比比皆是。

跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的發(fā)展是當(dāng)今科技發(fā)展的一個基本的模式。重大工程需要動員各方力量為實現(xiàn)工程的目標(biāo)努力。這個過程中會不斷對基礎(chǔ)科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)提出新的期望，牽引基礎(chǔ)科學(xué)活動。

例如，人類已經(jīng)從陸、海、空到天，又從近天到深空，人類活動的范圍在不斷擴(kuò)展。在空間探索的牽引下,航天重大工程就像一個機(jī)車頭，牽引著諸多基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，如空間物理學(xué)，空間材料學(xué)，空間生命科學(xué)，天體地質(zhì)學(xué)、空間制藥學(xué)，空間通信導(dǎo)航學(xué)……人類活動的范圍越走越遠(yuǎn)，人類認(rèn)識自然、認(rèn)識宇宙的能力越來越強(qiáng)，對自然、宇宙的認(rèn)知越來越深刻。

以我國探月工程為例。通過嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥四號的工程實踐，我們獲取了深空軌道設(shè)計、月球引力場模型修正、月球微波輻射特性描述、地-月駐點（L2點）及其暈軌道（Halo）實現(xiàn)、深空環(huán)境科學(xué)、比較行星學(xué)等基礎(chǔ)科研成果，以及軟著陸地外星體的GNC技術(shù)、空間通信與遙感遙測遙控技術(shù)、軌道器變推力控制技術(shù)等大量的技術(shù)成就。

航天工程實施和所有其它行業(yè)的工程一樣，我們必須了解對象的特性，其有效的手段就是運(yùn)用相似性原理，對各類對象進(jìn)行建模仿真，這是工程設(shè)計中必須進(jìn)行和運(yùn)用的手段，不論是幾何結(jié)構(gòu)仿真、物理仿真，還是數(shù)字仿真，在現(xiàn)代工程設(shè)計中都具舉足輕重的地位。

比如各類風(fēng)洞試驗，可以說有什么樣的風(fēng)洞條件，就掌握到什么程度的空氣動力特性，大型電子對撞機(jī)、核電站仿真控制模擬、鐵路運(yùn)營調(diào)度仿真系統(tǒng)等等，我們很難將其劃分為是設(shè)計階段的工具，還是驗證階段的手段，或是運(yùn)營階段的裝置。這些工程設(shè)施所提供的成果，既是設(shè)計成果，也是驗證結(jié)果，也是運(yùn)營的伴行裝置；既是對象的物理表現(xiàn)，也是其模型化認(rèn)識的基礎(chǔ)科學(xué)。

所以我認(rèn)為：由于重大工程的實施，涉及的學(xué)科領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，它必然對基礎(chǔ)科學(xué)提出新的期望，產(chǎn)生新的課題，同時也完善并推動著基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。