當代科學家的工程師角色

酈全民

【關(guān)鍵詞】科學家 科學工具 科學家精神

【中圖分類號】G305 【文獻標識碼】A

科技強則國強，科技興則國興，科學技術(shù)從來沒有像今天這樣深刻影響著國家前途命運，從來沒有像今天這樣深刻影響著人民幸福安康。當前世界百年未有之大變局加速演進，我國發(fā)展面臨的國內(nèi)外環(huán)境發(fā)生深刻復雜變化，一些西方國家在科技創(chuàng)新領(lǐng)域?qū)ξ覈M行封鎖打壓，核心技術(shù)“卡脖子”的問題日益突出，對加快科技創(chuàng)新提出了更為迫切的要求。在此種情況下，我們需要認識到，沒有挺得起腰的科學家精神，很難有站得住腳的科學成果。新時代新征程，我們要充分認識科學發(fā)展的新趨勢，大力弘揚新時代科學家精神，加快實現(xiàn)高水平科技自立自強。

當代科學發(fā)展的新趨勢：認識價值和實用價值融合統(tǒng)一

近代自然科學誕生的一個主要標志是運用實驗和觀察方法去認識自然現(xiàn)象。對于當時的科學家來說，當需要從事實驗或觀測時，他們往往親自發(fā)明或制作工具。也就是說，他們需要擔當起發(fā)明家和工程師的雙重角色。比如，伽利略為了做斜面實驗發(fā)明了可精確計時的水鐘，為了天文觀測制作了放大倍數(shù)更高的望遠鏡；牛頓為了做光學實驗發(fā)明分光儀，為了消除色差制作反射望遠鏡。不過，當時的科學儀器還比較簡單，科學家本人或在少量助手的幫助下便能制作。

隨著科學的不斷演進和復雜性的增加，科學家內(nèi)部逐漸產(chǎn)生了分工：有些從事理論探索，有些從事經(jīng)驗研究，當然，也有一些能在兩個方面均有建樹。由于科學的對象是自然界中的具體事物，所以，在科學共同體中，運用實驗或觀察方法從事經(jīng)驗研究的科學家占大多數(shù)。對于經(jīng)驗科學家而言，實驗或觀測工具的設計和制作既可以親自動手，也可以從專門生產(chǎn)儀器和設備的公司購得，或者兩者兼為。不過，倘若想要站在科學的最前沿，發(fā)明、設計以及制作針對研究對象的新工具便成為極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造性的關(guān)鍵一步。由此，科學家要擔當起卓越的工程師（包括發(fā)明家）角色。

大約自20世紀80年代以來，科學的發(fā)展呈現(xiàn)出一些新趨勢?？傮w來說，那些足以改變科學面貌的重大發(fā)現(xiàn)和理論創(chuàng)造的資源越來越少，科學研究的重心轉(zhuǎn)向了探究與人類自身生存和發(fā)展直接相關(guān)的問題。這些問題主要集中在新型材料和器件、醫(yī)療健康、生態(tài)環(huán)境、生活質(zhì)量以及經(jīng)濟社會等方面。從尺度上說，基礎(chǔ)性科學（物理學、化學和生物學）的研究主要聚焦于從原子到細胞的層次。那么，在這些層次中，科學研究出現(xiàn)了哪些與以往不同的特點呢？

首先，物質(zhì)系統(tǒng)的基本組元和基本規(guī)律已經(jīng)明了：我們知道原子有多少種類，由什么組成，內(nèi)部和外部的基本作用力是什么；相應的基本理論也已相當成熟，量子力學和量子電動力學原則上能對幾乎所有的現(xiàn)象作出科學的解釋。研究重點不再是發(fā)現(xiàn)未知的基本存在物或基本規(guī)律，而是要集中探究由已知的組元和規(guī)律所限定的物質(zhì)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)、性能以及過程。也正是從分子層次開始，物質(zhì)系統(tǒng)呈現(xiàn)出我們通常所說的復雜性，即涌現(xiàn)出各種各樣新的結(jié)構(gòu)、性能以及過程，且具有很強的個性。比如，雖然組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20余種，但它們之間能夠耦合的方式和連接的長度卻是極其多樣的，因此，由蛋白質(zhì)組成的系統(tǒng)便呈現(xiàn)巨大的復雜性。

其次，科學的兩種基本價值越來越融合?？茖W的主要目的是增進人類的知識并造福于人類，因而，其具有兩個方面的基本價值：認識價值和實用價值。在探明基本存在物和基本規(guī)律以后，人們之所以依然花費巨大的精力研究各種物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，不僅是為了加深理解，也希望在理解的基礎(chǔ)上利用這些物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)明和制造可服務于人類生產(chǎn)和生活的新產(chǎn)品。比如，在對石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能有了一定的認識后，人們開始研究如何將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，以期為人類所用。顯然，如果能夠深入了解一種自然物質(zhì)的組元、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)其性能的具體機制，我們就有可能根據(jù)事先設想的目標來合成新的材料或生成新的物態(tài)，實現(xiàn)認識價值與實用價值的統(tǒng)一。

最后，計算機和計算技術(shù)成為科學研究的強有力工具。20世紀80年代以來，隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，一種科學研究的新方式迅速開啟，即除了理論和實驗以外的計算方式。這種方式通過建構(gòu)計算模型、介入數(shù)據(jù)處理和分析、建造人工智能系統(tǒng)等具體途徑，改變了科學的具體面貌和科學家的工作習慣。

推動科學進步的關(guān)鍵因素：新工具和新技術(shù)的發(fā)明

當科學的重心是研究從原子到細胞的微觀對象的結(jié)構(gòu)、性能和動態(tài)過程時，最有效的方法就是直接地去觀測、追蹤或操控這些對象。而要做到這一點，只有通過發(fā)明新技術(shù)、制作新工具方可實現(xiàn)。事實上，近幾十年來，人們已經(jīng)發(fā)明或完善了多種探測和操控微觀對象的新技術(shù)和新工具，如掃描隧道顯微鏡、熒光蛋白技術(shù)、激光鑷子和冷凍電子顯微鏡等。這些新技術(shù)和新工具不僅極大地推動了基礎(chǔ)科學的發(fā)展，而且為科學成果的應用和產(chǎn)品的開發(fā)開辟了新方向。這是因為一旦可運用工具對原子、分子和細胞等進行觀測或操控，就能將獲得的認識成果用于設計或制造新的材料、微型器件或藥物，進而實現(xiàn)認識價值與實用價值的融合。至于作為科學研究工具的計算機，在收集和處理數(shù)據(jù)的過程中已經(jīng)變得必不可少。特別是一些涉及海量數(shù)據(jù)和計算的大科學問題，只有在計算機和計算技術(shù)的幫助下才能展開和求解。

實際上，近十年來，大約一半的諾貝爾物理學獎和化學獎頒發(fā)給了發(fā)明新工具和新技術(shù)的科學家。比如，2017年諾貝爾化學獎授予了雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）、喬基姆·弗蘭克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），以表彰他們研發(fā)出能對生命分子進行三維成像的冷凍電子顯微鏡技術(shù)。2018年諾貝爾物理學獎授予了亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin），是因為其發(fā)明了光學鑷子，可以使用激光光束來抓取粒子、原子以及分子①。這足以表明，新工具和新技術(shù)的發(fā)明或發(fā)展在當代科學研究中的分量。

在科學的許多領(lǐng)域，新工具的研發(fā)通常是進行前沿研究的科學家所為，因為他們能夠洞察值得探究的科學問題，知道需要研發(fā)什么樣的儀器或設備以便更好地去認識對象，也具備將科學原理加以物化發(fā)明新工具的知識。比如，阿斯金是一位專注于激光和非線性光學研究的物理學家，其在發(fā)明光學鑷子的過程中充當了工程師的角色。而有些人在職業(yè)上原本是工程師，但在研發(fā)和使用儀器的過程中，偶然地作出了重大的科學發(fā)現(xiàn)。最有代表性的是宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)。1964年，美國貝爾實驗室的無線電工程師阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在調(diào)試靈敏度很高的喇叭天線時，意外地檢測到天空中存在著一種揮之不去的“噪聲”。后來從天體物理學家羅伯特·迪克（Robert H. Dicke）那里得知，這是宇宙大爆炸留下的痕跡。宇宙微波背景是20世紀最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一，彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。與在頂級期刊發(fā)表論文而獲得曝光的科學家相比，科學儀器的發(fā)明者和制作者往往要經(jīng)年累月地默默工作，因此更需要有淡泊名利、甘坐“冷板凳”的奉獻精神。

在當代科學前沿，需要擔當工程師角色的并不僅指研發(fā)儀器和設備的硬件工程師，也包括開發(fā)程序（尤其是人工智能系統(tǒng)）的軟件工程師。近年來，隨著人工智能技術(shù)的突飛猛進，通過設計和制作人工智能工具來解決科學問題，已經(jīng)成為推動科學進步的巨大力量。具有標志性的是運用機器學習系統(tǒng)求解蛋白質(zhì)折疊問題（是指如何從蛋白質(zhì)的氨基酸序列確定它的空間結(jié)構(gòu)，這困擾了科學家們近半個世紀）。2021年7月，谷歌公司旗下的“深度思維（DeepMind）”團隊的人工智能程序“阿爾法折疊”（AlphaFold），成功預測出98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。②在科學界，目前普遍認為這是21世紀以來最為重要的科學成就之一。值得注意的是，“阿爾法折疊”可以作為一種新的科學研究工具，在其研發(fā)過程中，很多人擔當了軟件工程師的角色或者本身就是軟件工程師。如“深度思維”公司聯(lián)合創(chuàng)始人德米斯·哈薩比斯就兼具科學家和工程師的雙重身份?？梢灶A見，研制人工智能系統(tǒng)，并通過人機協(xié)同去解決具體的科學問題，將成為未來科學研究的主要方式之一。

新發(fā)明的科學工具對于探測或操控微觀對象或復雜對象具有關(guān)鍵作用。比如，在腦科學中，發(fā)明新的更有效的探測大腦結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程的儀器是最為重要的。因為這樣的儀器能夠厘清大腦的工作原理，為理解認知機制、意識現(xiàn)象和防治疾病提供堅實的科學基礎(chǔ)。而這些儀器的發(fā)明，正是在已有科學理論的定向指導下，不斷地將設計的原理和構(gòu)思等外化于具體的物質(zhì)載體的過程。這意味著，優(yōu)秀的科技工作者不僅需要掌握前人已經(jīng)積累起的相關(guān)科學知識，而且還應成為卓越的工具研發(fā)者。因為只有這樣，才能充分將認知成果運用于技術(shù)的發(fā)明和更新之中，真正走在科學的最前列。正如中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員、南方科技大學講席教授楊學明提出的，“一定要強調(diào)科學儀器的重要性。只有發(fā)揮創(chuàng)造力，做真正獨特的科學儀器，才有可能引領(lǐng)科技創(chuàng)新”。需要指出的是，每個人的能力總是有限的，且當今的科學研究也主要是以團隊的方式展開。因此，我們所說的科學家要擔當工程師角色，并不意指每個科學家都應該做工程師，而是說一個科學家團隊應該具備這種能力。

當前我國科研領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)：新的科學工具和高端科學儀器研發(fā)不足

新中國成立以來，特別是改革開放以來，我國的科學事業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。就發(fā)表科技（不單指科學）論文的數(shù)量而言，中國科學技術(shù)信息研究所發(fā)布的《2023中國科技論文統(tǒng)計報告》顯示，我國各學科最具影響力期刊論文數(shù)量首次超過美國位列世界第一位，高水平國際期刊論文數(shù)量及被引用次數(shù)也均排在世界首位。截至2023年7月，我國的熱點論文數(shù)為1929篇，占世界總量的45.9%，數(shù)量比2022年統(tǒng)計時增加了6.7%，世界排名保持在第1位；按第一作者第一單位進行統(tǒng)計，我國發(fā)表高水平國際期刊論文9.36萬篇，占世界總量的26.9%，被引用次數(shù)為64.96萬次，論文發(fā)表數(shù)量和被引用次數(shù)均排在世界第一位。③這些數(shù)據(jù)證明了我國科技論文國際影響力的持續(xù)提升。但需要注意的是，我國真正重大的（比如諾貝爾獎級別的）科學發(fā)現(xiàn)和理論創(chuàng)造依然較少，具有世界影響的科學家還為數(shù)不多。比如，近十年來，人工智能（主要是機器學習）不斷掀起熱潮，我國研究人員發(fā)表的論文數(shù)和申請的專利數(shù)均已達到世界第一。但不可否認，我國人工智能研究仍存在頂天難落地難的問題。那么，阻礙我國科學研究整體性地達到高峰的原因是什么？一個既明顯又關(guān)鍵的因素就是新的科學工具和高端科學儀器的研發(fā)不足。比如，迄今為止，我國自主掌握的核心技術(shù)較少，科學（包括技術(shù)）工作者使用的絕大部分高端儀器依賴于進口。

近年來，我國已經(jīng)充分意識到科學儀器的基礎(chǔ)性和重要性。習近平總書記指出：“科技攻關(guān)要堅持問題導向，奔著最緊急、最緊迫的問題去。要從國家急迫需要和長遠需求出發(fā)，在石油天然氣、基礎(chǔ)原材料、高端芯片、工業(yè)軟件、農(nóng)作物種子、科學試驗用儀器設備、化學制劑等方面關(guān)鍵核心技術(shù)上全力攻堅，加快突破一批藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)用設備、疫苗等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)?！雹艿览盹@而易見：跟在別人后面走，即便做得再好，也只能跟蹤、模仿，做補充研究。因此，提升科學儀器研制水平和使用效率、樹立科學儀器發(fā)展的正確理念、培養(yǎng)科學儀器研發(fā)人才等對我國高端科學儀器的發(fā)展至關(guān)重要。需要指出的是，不同于面向一般性生產(chǎn)和消費的儀器設備的制作，高端科學儀器和工具的設計和制作，需要研發(fā)者洞察尚待探究的科學問題、掌握相關(guān)的科學原理，這就意味著需要科學家勇于承擔、積極推進。而且，這類任務周期長、工作量大，難以發(fā)表論文和產(chǎn)生直接的社會影響，因此特別需要弘揚科學家精神。新中國成立以來，廣大科技工作者在祖國大地上樹立起一座座科技創(chuàng)新的豐碑，也鑄就了獨特的精神氣質(zhì)——科學家精神：胸懷祖國、服務人民的愛國精神，勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神，追求真理、嚴謹治學的求實精神，淡泊名利、潛心研究的奉獻精神，集智攻關(guān)、團結(jié)協(xié)作的協(xié)同精神，甘為人梯、獎掖后學的育人精神。在新時代的偉大征程上，廣大科技工作者應自覺踐行、大力弘揚科學家精神。

面對科學教育和人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)，需要弘揚甘為人梯、獎掖后學的育人精神

近幾十年來，以計算機和互聯(lián)網(wǎng)為標志的信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應用，對于基礎(chǔ)科學的研究產(chǎn)生了巨大影響。一方面，新的計算工具和計算技術(shù)為科學研究提供了重要手段；另一方面，新技術(shù)領(lǐng)域?qū)θ瞬诺奈Σ粩嘣龃?，對未來科學家群體產(chǎn)生了一定的分流效應。在這樣的大背景下，我國教育部門推出了“強基計劃”以及“拔尖計劃”等措施，希望以此來培養(yǎng)一批日后從事基礎(chǔ)研究的后備人才。但不可否認，受文化傳統(tǒng)和考試制度等多種因素的影響，我國一些學生存在重視書本知識、輕視動手能力等問題。在書本知識方面，其重視通過解題鞏固知識以備考試，而輕視對科學原理的理解以及如何將科學原理運用于實踐的探究。此外，雖然我們經(jīng)?？梢月牭揭囵B(yǎng)交叉學科或跨學科人才的呼吁，但這種呼吁往往指的是文與理之間、不同的相關(guān)學科之間進行交叉，卻很少有人意識到，即使在基礎(chǔ)科學領(lǐng)域，也要實現(xiàn)“理”與“工”之間的交叉。比如，在基礎(chǔ)科學的教育和研究中，科學儀器通常被認為是可以購買的產(chǎn)品，因而會忽視一個優(yōu)秀的科學家應該具有研發(fā)新工具的能力。由此，發(fā)掘一批對科學研究有興趣、有潛力的人才投身于基礎(chǔ)學科，不僅是弘揚新時代科學家精神的重要路徑，更是培養(yǎng)和儲備基礎(chǔ)學科拔尖創(chuàng)新人才的有力舉措。

事實上，導師在知識、經(jīng)驗、智慧、思維的傳承上有著不可代替的作用，一流科學家的學術(shù)視野、研究方法、人格修養(yǎng)等能夠給予學生深遠的影響。正如習近平總書記指出的：“科技創(chuàng)新，貴在接力?！薄安耪?，材也，養(yǎng)之貴素，使之貴器?！敝挥兄匾暱萍既瞬诺呐囵B(yǎng)，學界才能“后浪”輩出，我國的科技工作才能實現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。廣大科技工作者應在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中發(fā)揮識才、育才、用才的導師作用，真正做到言傳身教，甘做“鋪路石”和“領(lǐng)路人”，鼓勵年輕人大膽創(chuàng)新、勇于創(chuàng)新，讓青年才俊像泉水一樣奔涌而出。

綜上所述，人無精神則不立，國無精神則不強。新時代需要廣大科技工作者發(fā)揚“愛國、創(chuàng)新、求實、奉獻、協(xié)同、育人”的科學家精神，肩負起歷史賦予的科技創(chuàng)新重任，把自己的科學追求融入全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的偉大事業(yè)中。

（作者為華東師范大學哲學系、知識與行動研究中心教授、博導）

【注：本文系國家哲學社會科學基金重點項目“人工智能驅(qū)動科學的哲學基礎(chǔ)研究”（項目編號：23AZX020）階段性成果】

【注釋】

①《2018諾貝爾物理學獎獲得者出爐：美法加三名科學家因激光物理獲獎》，海外網(wǎng)，2018年10月2日。

②《人工智能程序預測出98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)》，新華網(wǎng)，2021年7月23日。

③《首次超過美國！我國各學科最具影響力期刊論文數(shù)世界第一》，《光明日報》，2023年9月20日。

④《習近平：在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話》，新華網(wǎng)，2021年5月28日。

責編/孫渴 美編/楊玲玲