科学仪器的前沿技术、自主创新和应用.pdf

现代科学仪器 2 0 0 6 4 5科学仪器的前沿技术自主创新和应用Scientific Instruments Front,ier of Technology, Self Innovation and Application朱良漪中国仪器仪表学会分析仪器学会1 引 言很高兴应邀参与第三届 科学仪器前沿技术及应用学术研讨会会前胡柏顺主编曾约我谈谈前沿技术与自主创新和发展科学仪器的关系我说题目太大太难时间又太紧只能说些较符合现实的内容也就是从前沿技术引伸到技术创新落实到产业化虽知大会的主题又变了现在只好虚拟个题目敞开思想放开胆子想到那里就讲到哪里了我很欣赏现代科学仪器杂志办得越来越好特别是在跨世纪之交在推动发展科学仪器上能善于集思广益高瞻远瞩地倡导新理念开拓新领域如*1 9 9 8 纳米科技及其检测仪器*1 9 9 9 环境监测仪器及检测技术*2 0 0 1 现代科学仪器与生命科学*2 0 0 2 实验室信息与管理系统L I M S*2 0 0 3食品农产品安全分析测试技术与仪器S A R S 检测技术与信息系统*2 0 0 5自主创新发展我国科学仪器的交流平台* 2 0 0 6 科学仪器前沿技术及应用我感到这些都可以算是发展我国现代科学仪器的亮点与基石那么什么是前沿技术如果查经问典就很难说正因为如此这般引发了我对前沿技术的考证以及如何和怎样能实现自主创新的大前提当然这一切一切最后的根还是在于 应用 和产业化上否则就流于空谈而与社会进步无关了2 什么是技术和前沿技术它和科 学 ( s c i e n c e ) 与 应用生产与工程 又是怎 样地联系2 . 1 首先什么是前沿*英文字典上的前沿就是 F r o n t i e r s 技术辞典上确有 F r o n t i e r s o f s c i e n c e 可以译为 科学前沿但没有提 前沿技术老的牛津字典上曾说过 F r o n t i e r so f k n o w l e d g e 说是知识的极限 很玄新的牛津辞典上好一点曾经解说是尖端性与边缘性学科的语句*辞海上有 前沿 说的是 防御阵地最前面的边缘而辞源上根本没有前沿两字*大英百科全书上不知道为什么只出现了一个 F r o n t i e r s o f h u m o u r 它的解释是寓有 自发性 趣味性夸张手法强烈的个人主义和对东部传统价值观念的蔑视所以我们现在泛用 前沿可否认为是有引导探索和开拓的理念当然必须有新领域但不能仅限于与技术挂钩也可以有科学前沿和前沿应用工程等2 . 2 其次什么是技术如果一较真 使我联想到当今我国的科技界对技术的定义概念和作用似乎认识上也并不一致甚至引出许多隔阂偏见和负面影响我认为很有必要从历史的发展观点上找出比较正确的答案据说技术一词出自于希腊文L e c h n e 工艺技能与( L o g o s ) 词 讲话的组合 意思是对造型艺术和应用技术进行描述 古希腊大学者亚里士多德 A r i s t o t l e BC 3 8 4 3 2 2 曾把技术看作是制作的智慧其后英国的哲学家培根 B a c a n F n a n c i s 1 5 6 1 1 6 2 6, 德国的康德I m m a n u e l K a n t 1 7 2 4 1 8 0 4 都讨论过技术并作为一门学问来议论到 1 8世纪末法国科学家狄德罗D e n i s D i d e r o t 1 7 1 3 1 7 8 4在他主编的 百科全书 条目中出现技术一词并指出技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规矩体系为了阐明技术概念的这句话他提出 5 个要素把技术与科学区别开技术是有目的的强调技术的实现是通过广泛 社会协作 完成的指明技术的首要表现是生产 工具是设备 是硬件指出技术的另一表现形式规则即生产使用的工艺方法制度等知识这就是软件和科学一样把定义的落脚点放在知识体系上即技术是成套的知识体系但这 5 要素中的和实在也令人费解到 2 0 世纪初技术的发展太快技术的含义逐渐综述与评论6 Modern Scientific Instruments 2006 4膨胀它涉及到工具机械及其使用方法和过程到2 0世纪后半期技术的定义甚至提到为人类改变或控制客观环境的手段或活动这样一来似乎技可以总揽一切了我看也不尽然不过谈到这里似乎顺便也可以谈谈什么是前沿技术我曾经读过 1 9 9 4 年科学出版社和中央党校出版社联合出版了一本现代科学技术基础知识宋健主编的第三章当代技术发展的重要前沿中突出六项前沿技术 微电子与计算机技术 信息时代的通讯技术 生物技术 新材料技术 激光技术航空技术与空间资源开发这六大前沿技术看来颇有启发不过如果想把它们和发展科学仪器挂上钩却并不那么顺当于是从我的本职出发只好又从科学来议论仪器了2 . 3 什么是科学科学 这个词 源于拉丁文S c i e n t i a原意为 学问知识是指人们对客观世界的认识是反映客观事实和规律的学问据查三世纪以后西欧各国曾以拉丁语为宗教文化科学研究等方面的共同书面语如果这样的推断似乎三世纪后才开始有可能叫科学的书面的记载从一些科学史的资料来分析 很有意思的是世界古老国家如希腊埃及印度和中国的哲人先贤们在互无联系不同地域不同的政治文化背景相邻的时间内却能孕育出统一的科学概念为了叙述方便我想试图用欧洲年史为主概括成为四大阶段即混沌初开科学理念的萌芽超越黑暗经历斗争进入近代科学时代1 9 世纪后的科学世纪2 1 世纪科学构成系统并形成体系的现代科学2 . 3 . 1 远古的混沌时期那时的哲人学者的注意力都集中在解释感知到的世界各种现象其中重点很自然便集中到寻求与人的生存和生活有关的自然的解释所以观察宇宙导出天文学与历法粗放农作物的种植导出食物与农业种植学以及与疾病健康有关的药草与医学以及与土地建设丈量有关的几何学与数学等等它们是以观察记忆现象的描述为主加上简单的归纳和少量的因果重现与推断是该时期的认识规律的萌芽也是科学 理念的萌芽从可以追溯的历史上说公元前5 0 0 0 注与B . C通用年古埃及的僧侣们观测日月星辰对日食月食进行多年多次的预测提出一年为3 6 0 天等分为1 2 个月的历法后其后结合尼罗河每年六月份的定期泛滥与天狼星与太阳同时在地平线上升起的规律他们确定一个太阳年为 3 6 5 又 4 分之一日同样在我国因为农业非常发达所以也是世界上天文学与历法结合发展最早的国家传说中国的帝尧约公元前2 4 世纪已经有了专职的天文官从事观象授时 那时他们把一年分为3 6 6 天 分为四季并提出用闰月来调整到春秋时期B C 7 7 04 7 6更出现了阴观察月亮运动阳太阳运动的阴阳合历在恒星行星和异常天象观测方面都有杰出的贡献东汉时期的张衡7 8 - 1 3 9 创造了世界上最早的用水力转动的浑天仪来观测天象和测定地震的方位候风地动仪所以他完全有资格被认为是创造世界科学仪器的奠基人他用所发明的仪器进行观测解释了月食的原因和在所著的灵宪一书中提到宇之表无级宙之端无穷中国的天文学已经处于一般观察到数量化观察的过渡阶段在这里应该特别指出中国最古老的文字体系出现于商周B C 1 7 1 1 2 5 6 时代的甲骨文其后秦用竹简公元 1 0 6 年便有了纸张所以史记比较可靠除了天文与农业有关学科得到重视与发展外 中国的农作与寻找可食植物再进一步发展到药用植物中药中医与食疗是世界上最伟大的科学贡献虽然神农氏尝百草迄今还是一个尚无法考证的历史传说可是西汉B C 2 0 6 2 5 时期的 成熟的神农百草经可以算是当时世界上一本早期的植物科学巨著而公元前三世纪战国晚期的黄帝内经共1 8 卷则更是一本医学巨著那里已提出完整一套的医学理论包括问脉 诊断生理和病理经络针灸临床实践经验以及还有我们还不理解的阴阳五行等等不过当代世界的著名的医学权威们已对内经上提出的天人相应即强调人与生存环境的密不可分的环系五行是代表人体脏腑器官之内的相互依存互相制约的生克关系以及完全系统化的经络学说产生了极大的兴趣已成为国际医药学甚至大脑与在智能化控制研究方面的前沿热门课题从公元前七世纪二世纪 是古希腊最光辉的文化时代也是促成科学概念的摇篮我们说历史是人民创造的但是也不能脱离有巨大影响的代表人物的贡献第一位是本文前面已提到的亚里士多德他一生的著作极多包括哲学天文学生物学逻辑学等等是一位名副其实的百科全书式的学者他对自然科学的贡献首先在于科学研究的方法上他提出归纳与演译两类方法强调数学合理体系与逻辑推理的作用他的学生亚历山大大帝也是非常尊重他并给他在为生物学研究搜集生物标本上给于了很大的支持第二位应该提到的是欧几里得 E u c l i d B C 3 3 0 2 7 5 他写的 几何原本一书是将公元前七世纪以来希腊几何知识积累起来的丰富成果整理在严密的逻辑学系统之中使几何学成为一门独立的演绎科学第三位是阿基米德A r c h i m e d e s现代科学仪器 2 0 0 6 4 7B C 2 8 7 2 1 2 他所发现的杠杆定律和浮力定律等在力学和机械学上的贡献是伟大的他也是最早把观察试验同数学方法融为一体的学者还有一位被后人尊重为 科学之父 的泰勒斯 T h a l e s , B C 6 2 4 5 7 4 提出的万物源于水的思想这些位早年的学者们都拥有一大批门徒其中许多人也是古希腊文化与罗马文化的精英随后形成多个有影响的学派2 . 3 . 2 越过黑暗经过斗争进入近代科学时代从可记述的文件追溯一些真实的史实这是需要长期的多方面的考证但是人类的认识一直是存在着两大疑问即宇宙的形成和万物的起源直到今天还是大课题另外一方面在知识积累的过程中一旦当人类遇到还无法抗拒的灾难与恐惧时 就会出现科学与神学 无知与迷信的是非与争辩湍流之中还有虽然没有文字记载但是现在残存在意大利雅典中东和中国甚至美洲的宏伟殿堂古迹和古墓等确实又给我们留下当时的高超技术与科学水平的无言史记等待我们去发掘古罗马建筑从金字塔公元前2 7 世纪算起到公元1 1 3 时为极盛时代主要是神庙剧场角斗场等显示出当时的建筑技术学科已经相当发达它的十字拱筒形拱结合起来能得到跨度越过2 5 米的空间万神庙的穹顶为4 3 . 3 米 花岗石的石柱可以高达1 9 . 6 米 底座径为 2 米它的基于力学计算的起重能力估算可达到5 0 0吨城市有较完善的上下水道还有陶瓷玻璃和用火山岩灰制成的混凝土材料古罗马建筑师维特鲁写成的建筑十书就是这门的技术总结 这时已然出现了技术为主的劲头这些令人痴迷的古建筑都是帝王将相们用盾剑跌蹄血腥征服异邦靠掠夺海外资源瑰宝黄金珠宝以及数以万计的奴隶们的血肉之躯筑成安乐窝与形象工程很显然统治者为了维护他们本身的势和利的需要很自然就只要关心技术而忽略科学盛极必衰这也是历史的发展规律古。