科技创新启示录 创新与发明大师轶事

科普教育与科技创新是社会进步的两翼。本书将近百位学术大师的创新故事和科研智慧娓娓道来，和读者共同探讨了“创新”这一经久不衰的话题，以唤起读者的创新热情或带来点滴启示。科技创新，本该是抽象的、晦涩的、复杂的，但在书中，它变成了“哈里森的航海钟”、“达尔文的旅行”、“波尔与爱因斯坦的争论”、“麦克斯韦与法拉第的忘年交”……每一个陌生或熟悉的故事，向读者展示的不仅是科技创新的历程与成果，更传递着创新所需的知识素质与精神内核，这是创新的之根、之道、之法。

金涌，清华大学化学工程系教授；中国工程院院士；1959年毕业于苏联乌拉尔工业大学，1959-1973年在中国科技大学任教，1973-2019年在清华大学任教至退休；专业方向为化学反应工程、生态工业工程，近年来热心科学普及工作。 现任中国化工学会、中国颗粒学会常务理事，中国生态经济学会副理事长，工业生态经济与技术专业委员会主任，清华大学产业创新与金融研究院顾问；曾任第四、五、六届国务院学位委员会学科评议组成员并化工组召集人，第三～六届北京市政府专业顾问。 曾荣获国家科技进步奖、国家发明奖各1项，美国化学工程师协会（AIChE）讲座教授奖；曾荣获全国五一劳动奖章、全国劳动模范、全国优秀教师奖、光华工程科技奖，以及“典赞·2016科普中国十大科学传播人物”等荣誉。

1引言
2理念
2.1 创新是社会发展永恒的驱动力
2.2 创新发展是社会持续发展的必由之路
技术进步是否会造成社会危机
社会价值趋向对创新的影响
关注近代科学观的变革
2.3 原始创新根植于基础科学研究
基础科学研究对推动创新的重要作用
原始创新与颠覆性技术
学术交流与争论是科学创新的沃土
复杂性科学——物理学中另一个未知领域
化学中迫切需要突破的创新领域——绿色化学化工
创新需宽阔深邃的时空视野
跨越科技创新“死亡谷”
2.4 创造能力研究的P4要素
创造者(Person)的人格特质
创造历程(Process)
创造产品(Product)的分析
社会环境、国家政策对创新的推动(Press)
2.5 人才培育是创新的百年大计
尊重知识，尊重人才
创新创业需要能工巧匠和工匠精神
拒绝平庸、宽容失败
在继承、竞争、合作中成长
3知识
3.1 知识的获取路径
再问“钱学森之问”
继承前人知识的创新成果与大学使命
科普教育与伪科学
教育新理念与新模式
信息时代的知识累积特征
3.2 创新人才的立体知识的4个维度
科学与工程的关系
人文与科学的关系
工程与人文的关系
科学与艺术的关系
人文与艺术的关系
工程与艺术的关系
达·芬奇艺术与工程的创造生涯
3.3 世界有名创新机构“知识背景”的四个象限
卡文迪什实验室
巴斯德生物工程研究所
爱迪生实验研究所
贩卖想象力的奇才——迪士尼
4能力
4.1 想象力
2500年前地球周长的测定
想象中的特异材料制备
抽象思维提升想象力
水平思维与垂直思维
4.2 联想力
仿生联想
功能延伸联想
反向联想
错位联想
发散思维联想
收敛性思维联想
惯性思维联想
4.3 观察力
对小概率现象的观察——捕捉13亿光年远的信息
对平淡无奇事物的观察——绿色汽车燃料的合成
对偶然出现事物的观察——发明需抓住蓦然之间的细节
对跨尺度现象的观察——微缩千万倍，发现新世纪
对“旧相识”的观察——电动汽车与锂电池
观察力创造了新世界观——达尔文的故事
观察激发直觉——澡盆里的漩涡
4.4 思辨力
辩证思维——美国高中作文考题
思维守旧的代价——居里实验室的“教训”
学科交叉思维——DNA双螺旋结构的发现
曲线思维——毛姆的计谋
逆向思维——并非侥幸的飞机着弹孔分析
批判性思维——“知识”与“想象力”悖论
传承思维——磁之薪火相传数千年
4.5 行动力
发现问题——从教堂吊灯引出的颠覆性成果
整体寻优——钱学森倡导的系统工程理论
虚拟推理——关于比萨斜塔实验
假想实验——两只奇特的“猫”
说服他人——丁肇中的5分钟演说
国际协同合作——寻找希格斯玻色子
评价和过滤信息的能力
判断创新创业战略方向的能力
4.6 内驱力
“最简单”即“好看丽”思维——奥卡姆剃刀原理
好奇心、上进心——石墨烯的发现
坚持不懈的执着——费马大定理的证明
摒弃侥幸，坚守信念——癌症病因的探索
耐住寂寞——爱因斯坦与门捷列夫的故事
抗争逆境——孪生素数猜想的证明和图灵故事
挑战权威——原子弹起爆的争论
质疑传统——挑战宇称守恒定律
5素质
5.1 创新人才养成的环境因素
困苦艰辛激励成才——献给卢瑟福等多位大师们
贫病磨砺坚强意志——开普勒的故事
和谐亲情促进成长——玻尔家族的奥秘
良性竞争有益创造——鲍林在竞争中的成败
爱情可做创新催化剂——多协议路由器的发明
5.2 品德是创新精神的内核
顺应时代——钱学森的四次选择
品德高低——影响科学成就大小的正反馈
人性的弱点——从多角度观察伟大科学家牛顿
沉默淡定——灵魂最纯洁的保罗·狄拉克
理性判断——DDT冤案
淡泊名利——零美元的专利转让费
童心与叛逆——科学大师也有另类
竞争的限度——大师们的暴怒互殴显失态
性别偏见，学术界的耻辱——梅特纳的故事
追问良心——窥探哥白尼的内心世界
牺牲精神——氟元素的发现
迷信权威——天文学家集体出错
撬开苹果的秘密——乔布斯传奇
《时间简史》是否有过重大失误
5.3 创新精神离不开智慧
应把“鸡蛋”放在哪个“篮子”里
如何理解模仿与创新的关系
爱因斯坦是否也会犯糊涂
伦敦凶杀案如何改变了电报发明的命运
创新要抓住时机——柯达公司的陨落
科技创新的否定之否定——对宇宙模型的认知
社会科学创新的复杂性——共享诺奖的背后
小微企业的创新与创业的精妙之道
42——宇宙神秘数字的终极答案
循环经济原理——“盖娅”假说与“美狄亚”假说

     人类所处的宇宙，诞生于138亿年前的一次大爆炸。从那一刻开始，宇宙就不停地在创新中变化着。人类生存的地球是宇宙中一个普通的恒星系里的一颗小行星。科学家对这个恒星系—银河系结构共同研究的近期新成果，给出了银河系结构如图1-1所示。 图中可见，在银河盘状结构上有4条主旋臂，分别是英仙臂、人马一船顶臂、矩尺臂和盾牌一半人马臂。地球所属的太阳系，并不在四条主旋臂上，避免了大量星球间的碰撞。太阳系围绕银河中心旋转一周约需2．12亿年，太阳距离银河中心面的垂直距离约20光年，而距离银河中心水平距离约26，000光年。 我们的太阳系正是湮没于几千亿颗恒星星系的银河系中。此外，宇宙中另外还有1000亿个类银河系存在，但在这茫茫的宇宙中，至今并没有发现第二个像地球一样，有着如此美好生态系统的星球。这颗蓝色星球如果不是宇宙中专享的，也是极其罕有、珍贵的。我们自身就是宇宙不断演化创新的产物。 这一创新演化过程是闯过了重重难关，在极其偶然机遇下形成的。首先我们的宇宙必须像现在这样大，宇宙越小，它从膨胀再收缩而后绝灭这一过程所需时间越短。对我们地球来说，为了取得进化出智慧生物的足够时间，宇宙必须像它现在这样大。 宇宙的这一演化过程是从混沌一片的基本粒子中开始的，首先形成原子、分子、宇宙尘埃，再凝聚成星系，而太阳系位于银河物质的非密集区，避开了大量星球间碰撞，且大小适中，寿命长，已有45亿年寿命，还能稳定存在45亿年。因此，它有足够的时间进化出人类。 地球在太阳系的位置适中，而太阳系又不是银河系内常见的双恒星系结构，所以地球轨道近圆形，接收阳光适中、稳定，而且地球绕太阳运行的公转轴与地球自转轴平面的夹角为23度26分，使地球有四季和昼夜变化，大部分地球表面接受阳光均匀。 地球存在磁极，使太阳辐射出来的大量高强度带电粒子流，集中于地球两极。大气层中出现臭氧层，屏蔽了太阳光中过量紫外线辐射，有利于单细胞生物的出现，进而发展成植物一动物一微生物的生态循环系统。 地球形成的早期俘获了大量水汽而形成海洋，因为地球引力大小适中，既形成了大气层，又形成地一月系统，产生了潮汐现象，这可能对孕育生命有重要作用。 地球内部的板块结构运动，不断更新陆地、海洋、山脉、地形结构，使地球创造性地演化出形形色色的生物，终于有了今天物种复杂的地球生态系统。 我们的地球和我们自身是在符合自然规律，又巧妙地利用了这些机遇中创造性生成的。人择原理告诉我们，宇宙一定会生出智慧生物，但宇宙若以另外方式演化，地球将会出现接近不同的生态系统，也许就不是我们出现在这里了。 自寒武纪生物物种大爆发开始，地球上逐渐形成了成熟的自然生态系统。它具有以下特征。 (1)自然生态的可持续性。成熟的自然生态系统存在生物多样性，物种之间形成复杂的食物链关系，植物一动物一微生物之间食物链循环，生产者(植物)一消费者(动物)一分解者(微生物)各司其职。资源被充分循环利用，不存在资源匮乏和环境污染问题，循环的推动力仅靠能量密度很低的阳光，通过光合作用就能运行了。 (2)自然生态的和谐性、稳定性。自然生物充分利用阳光、水、空气和矿物营养元素和谐发展。自然生态历经多次陨石撞击等天文灾变、冰河期、地质板块重组，都通过自组织功能修复，保证了自然生态的稳定运行。 (3)最为重要的是，自然生态具有创新性。生物个体发展中通过基因突变，不断进化，创造出新的功能、新的生存方式，在与环境互动中进化得更为优化、完善。譬如寒武纪以后，生物进化出视觉细胞，信息的获得提升了捕食者与被捕食者的攻防手段，使生物进化有了形形色色的策略，加速了进化过程。 人类自身就是自然创新的产物，又具有根植于生物界基因创新的本能。它既体现于环境的客观演化，也是高等生物的主观追求。生物界与自然界、客观与主观相互融合、促进，创新是其发展本质的体现。 人类作为宇宙创造的珍稀的智慧生物，生命作为物质的优选运动形式，它们先天有两大禀赋，第一是繁殖，虽然每个生物个体会在不长的生存时间内，经历孕育、诞生、成长、衰老、死亡，但通过遗传繁殖，可使其基因千万年乃至亿万年地保持下去。第二是创新，通过不断改善生物个体的生存环境，使其有更优异的演化条件。人类既是自然环境演化创新的产物，又是在遵循自然规律条件下，改造生存环境的创新主体。 近年来，人们在不断思考，我们从哪里来?如何发展至今?又将向何处去?特别是最优选的宇宙观测发现，人类所认识的物质世界仅占宇宙整体构成的约4％，还有96％竟是人类还不了解的“暗物质”和‘‘暗能量”，这无疑是物质科学大厦上空的一团“乌云”。对于它们的科学认识必将形成人类新的时空观、运动观和物质观，并对整个自然科学和哲学产生难以估量的影响，远望使我深陷一片遐想。 人类也逐渐明白了所有创新和创造必须顺应自然规律。地球