學(xué)科交叉融合：推動(dòng)科技創(chuàng)新的新支點(diǎn)

當(dāng)前，學(xué)科之間的交叉與融合受到了前所未有的關(guān)注和重視。近年來(lái)，一系列旨在促進(jìn)學(xué)科交叉融合的國(guó)家戰(zhàn)略舉措相繼出臺(tái)，如國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)成立了交叉科學(xué)部，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)將“交叉學(xué)科”列為第14個(gè)學(xué)科門類等。2021年，國(guó)內(nèi)首個(gè)推動(dòng)學(xué)科交叉融合的專業(yè)學(xué)術(shù)團(tuán)體——北京交叉科學(xué)學(xué)會(huì)正式成立。我一直在思考一個(gè)問(wèn)題：在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，從國(guó)家戰(zhàn)略層面上推動(dòng)學(xué)科交叉的意義何在？換句話說(shuō)，學(xué)科的交叉融合這樣一個(gè)學(xué)術(shù)共同體內(nèi)部的行為在驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新、引領(lǐng)國(guó)家發(fā)展方面能夠發(fā)揮怎樣的作用？

交叉科學(xué)有望為新一輪科技

革命提供源頭

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革將重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，成為未來(lái)若干年世界各國(guó)發(fā)展所面臨的最大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。然而，關(guān)于這一輪科技革命的源頭卻缺乏共識(shí)。人類歷史上經(jīng)歷過(guò)的3次科技革命和產(chǎn)業(yè)變革均以重大科學(xué)突破，主要是物理學(xué)的重大突破為科學(xué)源頭——第一次科技革命的基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)，第二次科技革命的基礎(chǔ)是電磁理論，第三次科技革命的基礎(chǔ)是量子力學(xué)。因此，研判新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的基本特征與發(fā)展路向，無(wú)法繞開(kāi)其發(fā)生的科學(xué)基礎(chǔ)。目前流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，新一輪技術(shù)變革以數(shù)字化、智能化及萬(wàn)物互聯(lián)等為主要特征，我個(gè)人認(rèn)為這種觀點(diǎn)值得商榷。因?yàn)閺目茖W(xué)基礎(chǔ)上看，數(shù)字化、智能化技術(shù)依然是第三次科技革命，即信息技術(shù)革命的延展和成果應(yīng)用。近100年物理學(xué)領(lǐng)域未能出現(xiàn)可與牛頓力學(xué)、電磁理論及量子力學(xué)比肩的重大科學(xué)突破，其他領(lǐng)域的重大突破也寥若星辰，單一學(xué)科的新突破似乎難以支撐像前3次科技革命那樣重大的科技變革。相比之下，各大科學(xué)領(lǐng)域、各個(gè)學(xué)科間的交叉融合則存在著巨大的潛力。例如在物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)三大領(lǐng)域之間的交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生了人工智能、基因組學(xué)、腦機(jī)融合、人機(jī)融合等前沿科技，有可能成為第四次科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的突破口，進(jìn)一步引發(fā)的新科技有望深刻改變?nèi)祟愇拿鬟M(jìn)程乃至人類本身。從這一意義上講，抓住了學(xué)科交叉融合，就有望把握住新一輪科技革命的源頭。

學(xué)科交叉融合為科學(xué)研究的

范式變革提供了新路徑

科學(xué)研究的范式變革往往是重大科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志。而按照“范式”這一概念的提出者、美國(guó)科學(xué)哲學(xué)家?guī)於鞯挠^點(diǎn)，科學(xué)研究的范式變革往往是在舊的范式出現(xiàn)危機(jī)的時(shí)候發(fā)生，而這樣的機(jī)會(huì)是隨機(jī)的、可遇而不可求的。如何通過(guò)有組織的科研去推進(jìn)科學(xué)研究的范式變革？我認(rèn)為，學(xué)科間的交叉融合提供了一種可能性?，F(xiàn)代科學(xué)中學(xué)科的劃分導(dǎo)致了不同科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展，形成了各自迥異的研究范式。而學(xué)科間的交叉融合則可能為不同學(xué)科間范式的相互借鑒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)科范式的變革提供一種路徑。材料科學(xué)領(lǐng)域的新分支超材料可提供一個(gè)典型案例。材料科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其研究的主流范式是先制備出材料，然后去研究材料的性質(zhì)，再進(jìn)一步改進(jìn)材料的組成和制備方法進(jìn)而改善材料的性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上建立材料組成—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)的關(guān)系。21世紀(jì)初，超材料這一概念在科學(xué)界出現(xiàn)。超材料是通過(guò)人工結(jié)構(gòu)獲得的、具有自然界所不具備的新的性質(zhì)的人工結(jié)構(gòu)，其研究范式類似電子學(xué)，即通過(guò)已知功能的單元構(gòu)筑系統(tǒng)，超材料早期的研究者主要來(lái)自電子學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域，這種研究范式對(duì)于他們來(lái)說(shuō)是習(xí)以為常的。而作為最早從材料領(lǐng)域進(jìn)入超材料研究的研究者，我們深刻認(rèn)識(shí)到，超材料不僅代表了一系列新材料，也給出了一種構(gòu)筑材料的新范式，因此致力于開(kāi)發(fā)超材料的方法論價(jià)值，提出了超材料與常規(guī)材料融合的思想?；谶@種思想，科研人員不僅率先研制出了介質(zhì)超材料等具有優(yōu)異特性的新材料，也為常規(guī)材料性能的突破提供了新的思路。

學(xué)科交叉融合是破解

“卡脖子”問(wèn)題的捷徑

“卡脖子”問(wèn)題的出現(xiàn)從表象上看是大國(guó)博弈背景下設(shè)置技術(shù)壁壘的后果，其本質(zhì)上反映出的是在解決復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題上對(duì)國(guó)外已有技術(shù)的路徑依賴。事實(shí)上，解決這樣一些復(fù)雜問(wèn)題往往不只有一條道路。而沿用單一學(xué)科或已有技術(shù)體系給出的解決問(wèn)題方式，尋找新的道路往往比較困難。通過(guò)學(xué)科的交叉，引入新的解決問(wèn)題思路，則可能另辟蹊徑去解決這些問(wèn)題。我們?cè)?0年前攻克的片式電感器技術(shù)就是一個(gè)很好的例子。電感器的片式化是20世紀(jì)末國(guó)際無(wú)源電子元件領(lǐng)域的重要突破之一，其核心技術(shù)是用鐵氧體與金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共燒，需要具有低溫?zé)Y(jié)特性的軟磁鐵氧體材料。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)這類新元件的生產(chǎn)裝備，但關(guān)鍵材料卻遭遇國(guó)外封鎖，成為當(dāng)時(shí)制約國(guó)內(nèi)電子元器件發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。在“九五”國(guó)家“863計(jì)劃”的支持下，我們開(kāi)展了片式電感器關(guān)鍵材料的研發(fā)工作，通過(guò)材料學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)的深度融合，率先將物理學(xué)和化學(xué)的一些原理引入陶瓷材料設(shè)計(jì)與燒結(jié)工藝，不僅成功繞開(kāi)了國(guó)外的專利封鎖，還獲得了當(dāng)時(shí)國(guó)際上性能最高的兼具高性能和低溫?zé)Y(jié)雙重優(yōu)勢(shì)的軟磁鐵氧體材料，為此后我國(guó)片式電感器產(chǎn)業(yè)的迅速崛起提供了關(guān)鍵支撐條件。

學(xué)科交叉融合是構(gòu)建

創(chuàng)新文化、培養(yǎng)高素質(zhì)

創(chuàng)新型人才的重要途徑

創(chuàng)新文化的氛圍、科學(xué)精神的土壤是形成創(chuàng)新型國(guó)家、建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的必要條件，是源源不斷地產(chǎn)生思想活躍、能夠跳出慣性思維的科技創(chuàng)新人才的基本保證。而學(xué)科的交叉融合，對(duì)創(chuàng)新文化的形成、科學(xué)精神的培育及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)有著重要意義。通過(guò)學(xué)科交叉融合，跨越學(xué)科界限，有助于形成新的思維維度，提升科技工作者乃至全社會(huì)的科學(xué)素養(yǎng)、探索熱情、想象力和創(chuàng)造力。特別值得指出的是，在科學(xué)高度分化、學(xué)科間壁壘越來(lái)越高的今天，跨學(xué)科教育在讓學(xué)生建立全景式知識(shí)系統(tǒng)、提升思維能力方面尤為重要。北京地區(qū)作為全球最活躍的創(chuàng)新區(qū)域之一，有著雄厚的科研資源、齊全的學(xué)科專業(yè)，高校和科研機(jī)構(gòu)云集并在空間上也比較集中，是推動(dòng)學(xué)科交叉融合、構(gòu)建創(chuàng)新文化的理想之地，我們期待能夠通過(guò)我們的努力，使北京成為學(xué)科交叉融合的學(xué)術(shù)高地，為建設(shè)首都國(guó)際科技創(chuàng)新中心、成為我國(guó)自主創(chuàng)新的重要源頭和原始創(chuàng)新的主要策源地盡我們的微薄之力。

另外需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，學(xué)科的交叉融合是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，不宜人為劃定哪些學(xué)科屬于交叉學(xué)科。事實(shí)上，任何學(xué)科的發(fā)展往往都需要借鑒、融合其他學(xué)科的知識(shí)和方法，學(xué)科交叉也發(fā)展出成熟的新學(xué)科，如物理化學(xué)、生物物理學(xué)等，而幾乎所有工程科學(xué)都是在融合若干基礎(chǔ)科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展的。因此，對(duì)交叉學(xué)科的支持也應(yīng)該有所取舍、有所側(cè)重，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注尚未形成學(xué)科交叉或尚待成熟的交叉領(lǐng)域。有鑒于此，我們提出關(guān)注“大交叉”，如自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的交叉、科技與藝術(shù)的交叉、生命科學(xué)與物質(zhì)科學(xué)的交叉等。

學(xué)科的交叉融合有望成為推動(dòng)科技創(chuàng)新的重要抓手，將學(xué)科交叉融合納入國(guó)家科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略意義重大。期待有更多支持、扶植、推動(dòng)交叉學(xué)科發(fā)展的新戰(zhàn)略、新舉措出臺(tái)。

專家簡(jiǎn)介

周濟(jì)，清華大學(xué)材料學(xué)院教授，中國(guó)工程院院士，長(zhǎng)期從事信息功能材料的研究。發(fā)明了高性能低溫?zé)Y(jié)陶瓷電磁介質(zhì)材料，解決了無(wú)源電子元器件片式化和集成的關(guān)鍵技術(shù)難題，推動(dòng)了我國(guó)片式電感器和無(wú)源集成產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展；提出了超材料與自然材料融合的思想，基于該理念設(shè)計(jì)出了一系列具有奇異物理特性和應(yīng)用功能的新型材料。先后獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，榮獲“全國(guó)優(yōu)秀科技工作者”等稱號(hào)。