1. 科研創新與科學問題
作為開場白，有個關於果子、樹枝樹葉、樹根和樹之間關係的比喻，可以用來對照我們國家的人才引進。我們需要確認的是，多年來我們引進了那麼多人才，還有那麼多專案，大部分情況下的著眼點是在果子，還是果樹，或者樹根？比如在一棵蘋果樹上，若只看到蘋果，雖然可以很快見到成效，可以馬上就吃，但是我們知道重要的事情並不是蘋果，而是它的樹，更為重要的是蘋果樹的根和生長蘋果樹的土壤。同樣地，我們經常被問道，有沒有新的“專案”可以引進。但新專案從哪里來呢？當然是別人經過創新和長時間的研發，最後得到的。然後我們接過來進行生產，或者經過進一步的開發，達到生產的階段。然後呢？我們有沒有學會怎麼創新和研發？我們把一個成熟的組或者一個人引進來，我們有沒有學會產生這樣一個組或者一個人的一種機制，這樣一種土壤？更為重要的是，這樣一種“根”。這些其實是很大的問題。相信大家早已意識到這些問題，否則不會有“錢學森之問”。所以，我們首先要做的事情是要把科學研究的一整套的概念和基礎從頭梳理一遍。
對全世界而言，科學研究的起源是在一個很小的地方，就是古希臘。這個不是我們的“錯”，而是上帝把這個科學的種子撒向了古希臘，沒有撒到我們這兒。古羅馬其實並沒有進行太多的發展。到了中世紀以後，由於奧斯曼帝國的擴張，促使西歐人覺醒，重新撿起當年的那些東西，開始了文藝復興，才有了近代科學的啟蒙。之後一日千里，如今影響到人類生活的方方面面。也就是說，起始的這些東西，我們從來不曾有過。儘管我們有“四大發明”等等，但是這並不是科學研究的結果。所以在東方國家並沒有產生這樣的元素。我們從五四運動開始說要引進科學，搞了將近一百年了。到今天，放眼望去，我們全民的科學素養有沒有造就？從普遍意義上來講，大部分地方的科學研究單位，對科學研究本身是什麼，有沒有一個很清晰地認識？一個很簡單的例子就是，我們總是把“科”與“技”放在一起。“科學”、“技術”到底是不是一回事？我們也把“科學”和“工程”混在一起，它們究竟有沒有一些顯著的不同？總而言之，我們非常有必要對這一切進行梳理和重新認識。當然，你可以認為這些只是一家之言，或者認為這些對中國並不適用。但是世界潮流浩浩蕩蕩，如果老是逆潮流而動，結果一定會比別人好嗎？
簡而言之，我們很有必要從根上來解決問題，而不是做一些面上的東西，而不是只進口一些果子甚至葉子等等。而這又連帶著兩個相關的事情。首先是當今的一個共識，即大學應該是社會的領航船。既是領航船，就不能與大船靠得太近，而要保持適當距離。由此推之，大學也應是象牙塔，雖然裏面分文理科、醫工科等。另外一個是耳熟能詳的“科研創新的四項基本原則”，這個實際上是美國科學促進會在九十年代召集了世界上科學精英總結出來的四條。其中最重要的也就是第一條，即“結合基礎研究與應用研究”。雖然工程學院做的是“應用研究”，但是必須要結合“基礎研究”才能做到真正的創新。也就是說，儘管工科研究的東西比較接近社會，但是每個學生老師應該結合前端的研究，也即科學問題的研究，而不僅僅是為了應用。假若只是在應用的領域裏面打轉，或者說只在“接地氣”的方面做工作，就很難做到完全的創新，最多只能算“技術革新”。
1.1）科研創新已是世界趨勢
讓我們轉入正題，首先是為什麼要進行科學研究，這其實是全世界範圍的一種趨勢，這個趨勢已經開始了很久了，也就是大家都意識到了科研創新的必要性：它是大學作為社會的領航船的一個最重要的功能，就是要在人類發展的前沿做開創性的事情。大學不光是做知識傳授，而是必須進行知識創新。有這樣一種說法，大概每一百萬的人口就應該有一所研究型的大學，而不是只做教學輔導。按照這個說法，廣州應該是有20所，當然這只是一種泛泛而論。但這個說法也有一些根據，主要是什麼呢？就是智商，當然說起來“政治不正確”。智商的分佈大家知道，是一個高斯（鐘形）曲線。曲線中心大概是一百，就是全人類的平均智商。當然不同種族會有些不一樣，東亞人可能比較高，可以到一百零幾。然後每隔15為一個方差，也即115是平均值之上一個方差（西格瑪），130是兩個西格瑪，145是三個。有些理論是16一個西格瑪，也有的是18一個西格瑪，這個由於不同的智商測量系統會不太一樣。大概地來說，一個西格瑪115智商已在5/6的人群之上。因為一個西格瑪所占鐘形曲線的兩邊算下來大概是68%左右，剩下的便只有1/3。 但是1/3有一半在左手邊，是在平均值之下，所以之上的另一半只有1/6。也就是說115智商或者以上者只占總人口的1/6。再往上的話是130。130以上者大概只有2.2%，也就是說百里數一數二的人。而3個西格瑪（145）大概就是千裏挑一。到了4個西格瑪更是3萬分之一。所以3個西格瑪是一個比較“適中”的智商界線。
而發達國家的一個地區或者城市，一百萬人口的千分之一，一般就是這個地區的醫生人數加上大學教授的人數。當然了，有一百萬人口不一定有一所研究型大學。所以這只是一個大概的依據。當然這裏面有好多話“政治不正確”。90年代加拿大有一個大學的心理學教授講到種族的智商差異，結果引起軒然大波。但是學術上做這樣的探討應該沒有問題。當然在不發達國家就很難達到這個水準了，一千萬甚至一億人口也不一定有一所研究型的大學。像非洲有近8到10億人口，但是整個非洲從北到南沒幾個世界水準的研究型大學。甚至對於美國來說，大概有3億多人口，但研究型大學只有200所左右。這200所是從比較普遍的專業，物理化學等等出發。如果再往應用方向走，到工程方面。以材料工程為例，是工程中較普遍的，因為任何工程都要用到材料，大概只有150個左右。若要以含有“材料”作為系/所的名稱者，可能更少。可見即便美國都沒有達到之前所說的“標準”，要一百五十萬人左右才有一所研究型的大學。當然這裏我們所說的研究主要是指理工醫類，社會科學等不在討論範圍之內。
總之，科學研究是一個全世界的事情，也就是說不光是我們國家，其他國家也在做這樣的事情。甚至很多非洲國家也在做，也要進行科學研究。十年前左右，我去非洲旅行，到過埃塞俄比亞。即便是在今天，該國與世界上大多數國家相比都算貧窮落後的。但我發現他們在進行嚴肅認真的大學排名。他們前幾名之間的競爭絕不亞於我們國家。雖然令人驚奇，但這也表明了科學研究是全世界的事情，不止中國為了成為世界強國而要科研創新，其他國家也是如此。又比如拉丁美洲，雖然很多是第三世界的國家，但是墨西哥有幾乎是全世界最大的大學，叫做國立自治大學，好像有27萬左右的學生。這個大學位處墨西哥城的南面，開車在高速路上走很長的一段都是它，就像一座城市。再比如說阿根廷， 歷史上曾經獲得過諾貝爾化學獎和醫學獎。這些都說明科學研究是一個全人類的事情。
 
1.2）科學研究的實質
接著我們必須談到科學研究的實質。一般來說，科學研究（Scientific research），就是尋找新知識（seek new knowledge）的過程。大家可能不以為然，因為我們做科研首先是為了國民經濟的發展，生產力的提高。其實不一定是這樣。很多情況下，甚至在大多數情況下，我們人類歷史上的科學研究成果並沒有用來推動生產發展。甚至有幾百年前的科學研究成果，迄今為止，與我們的生產力沒有什麼關係。舉一個很簡單的例子，就是哥白尼，波蘭天文學家。他發現地球並非宇宙的中心，太陽才是。地球是繞著太陽轉的，也就是“日心說”。這是人類歷史上非常重大的一個發現，即地球不是世界的中心，太陽才是宇宙的中心，地球繞著太陽轉。如果你列舉幾個人類歷史上最重大的發現，“日心說”必然是其中之一。雖然它間接地引起了社會的變革，但是“日心說”不僅是在當時，甚至是對我們現在而言，都對生產發展沒有直接的影響。馬路上汽車照樣跑，火車照樣開，飛機照樣飛，沒有任何差別。唯一有差別的地方，那就是宇航局或者是天文臺，對他們來說這個有差別。那麼這個東西既然到今天還是對我們沒什麼“用”，在當時來講絕對沒有任何“用”處。甚至對制定天文曆法也沒多大影響。所以說在絕大部分的地方它沒有任何用。但是所有的人都不得不承認這個哥白尼的日心說是人類歷史上的一個非常重大的科學發現。因此從這個角度講，新的知識，也就是科學研究的成果並不一定要有什麼“用”。
而且在很多情況下，科學研究出來的負結果（negative results），即它告訴你“不是什麼”，而非“是什麼”，更為重要。因為它可以讓我們避免錯誤，甚至避免被毀滅。比如一個小孩子在成長過程中，父母跟他說不要玩火，小傢伙一般不願意聽。等到哪一天他不小心被燙到，自此之後，他恐怕再也不會犯同樣的錯誤。這個例子中，“火會燙傷，不能玩火”對小傢伙來講是個新的知識，但是一個負面的知識。然而這個負面知識的重要程度遠超過了一些正面的知識。對於全人類而言，新的知識尤其是負面的知識，往往更為重要。如果你能把這些貫徹到科研中，就會發現，有時候負面的知識，往往比正面的知識還要關鍵。你可能會不認同，覺得自己看的文章都是發現什麼“有用”，但實際上這是個很狹隘的認識。所以我們完全可以說，“科學研究的目的，和主要內容就是，發現新知識。”而且並不全是為了新的應用，更不全是新的生產力。大家通常說有“什麼用”，和“怎麼用”，與科學研究本身沒有任何關係。科學研究要應用是之後的事，而科學研究本身就是為了發現新知識。
曾經有個學生，在國內著名大學讀的本科和碩士，期間也發表了一些文章，然後到海外讀博士。曾信心滿滿地說，我要做出3到5種新的東西，每種都要比之前的性能參數好。我說，即便你做出10種性能越來越好的材料，也不一定能讓你拿PhD學位。因為我們大學的博士學位有最起碼的要求，就是要有“新的知識”。在PhD學位答辯的那一天，會有其他院系的老師參加，比如醫學院、文學院。他們並不一定懂你專業上的東西，但是大家都會問最基本的問題—你的研究有沒有發現“新的知識”。他說新材料怎麼不是新的知識呢？我說你合成的新材料不一定代表新的知識。你只有搞清了這種材料為什麼會這樣，哪怕是之前就有的，但是人家並不知道為什麼它會這樣，你就發現了“新的知識”，即便你一個新材料都沒有做出來。
對於各位老師同學來講，尤其是工學院的老師同學，這可能是非常不容易接受的觀念。其實，在其他國家的大學，比如麻省理工學院，加州理工學院，你可以觀察他們的教授發表文章在哪些雜誌上。當然有一般的工程雜誌，但是大部分還是在科學雜誌上，也就是SCI雜誌。他們所研究的問題絕大多數是科學問題。只有這樣，才能夠把學術水準做上去。後面還會提到，大學工學院的首要目標是什麼，不是工程研究，而是科學研究。也就是說應該研究科學問題，也就是發現新的知識。當然你的目標是應用，你和理學院，和其他做基礎科學研究的不一樣，你做的是針對應用型的科學研究。但是你最大的目標還是科學問題，只有這樣才可能達到世界水準。
比方說，如果這兒市中心要造一座橋，或者在你們校園裏要造一座橋，可能碰到很多問題。你把這些問題解決了，通過你的研究。不管你經過多少困難與挑戰，它的意義通常只限於這個校園或只限於這個城市。這座橋對於在座的各位或者城市的居民可是大大的“有用”。要不然也不會花那麼多錢去造這個橋。但是對於城市之外的，對於全國，甚至全世界不會有什麼大的影響。不要說投到一個SCI的雜誌，你投到EI雜誌都不會入選，最多登在本地的報紙上。這就是為什麼需要強調，新的知識必須對於全人類來講是新的，越是這樣，它的意義就越重大，就越具有普遍性。因此可以更進一步地說，科學研究的唯一目的就是尋找新的知識；而新的知識並不是一定要有直接的應用。回想一下，我們中華文明號稱5000年，不是一向說是天“圓”地“方”嗎？後來傳教士過來，才說到地球是個圓的。大家去看看中學的或者科普的書，古希臘人不但知道地球是個球，而且他們算出了地球的直徑，跟今天我們知道的數字相差並不遠。在這裏無意貶低我們自己的老祖宗，只是想強調科學的種子沒有落到我們中華民族的頭上，這雖是我們的不幸，但全世界絕大部分民族也是如此的命運。所以我們到了今天沒有別的出路，就是向別人學。不但要學各種各樣的技術，引進各種各樣的果子，還要引進那些樹，引進那些根，更要引進那些土壤。所以各位一定要埋下這個種子。將來不管做什麼，你要成為一個生活在21世紀的現代人，要有科學素養。必須瞭解科學的起源，科學在哪里出現跟發揚光大，更要瞭解科學研究的本來目的。
1.4）區別科學問題與工程問題
總結上述內容，可以看到，科學研究是用來解決科學問題的，也就是用來發現新的知識。然而無論是我的學生，其他研究組的學生，還是我遇到的其他學生甚至老師，都無一例外地說，科學問題太難了，尋找科學問題太難了。其實不然。我那兒的學生們大多是這種情況：剛來就被告知，要自己尋找科學問題。接下來一段時間大都是一籌莫展。然而，最快的幾個月，一般是一年半載。絕大部分同學會跟我說，“雖然當初一籌莫展，如今放眼望去，全是科學問題。”通過這些例子我們看到，科學問題到底難不難，關鍵看你有沒有一個正確的認識。也就是說，你要有“科學問題”的基本判斷。這也就是本書的最主要目的。據我觀察，在一般做“應用研究”的機構呆的時間越長，寫的“應用文章”越多，觀念就越難改過來。往往會在表面上認同這些觀點，覺得科學問題很重要。但是走著走著又會回到老的路子裏去，沒有辦法走出原來那一套，就像在旋渦中轉不出來了。比如說我接待過不少訪問學者，一般一到兩年。雖然他們很用功，一年基本都有一篇文章，但是在這一到兩年的期間，大多並沒有機會掌握如何尋找“科學問題”。這應該說是問題的根本。大家應該至少認識到，科學問題，往往是為了解決“為什麼”，而不是去解決“怎麼做”。這又涉及到兩個側面，一個是深入，一個是普遍。普遍是廣度，就是涉及面更廣。這些很難用一兩個詞描述，而需要在之後的章節作較為系統的討論。
我們人類對智慧的崇高或者深入會有一種自然的崇拜，這就是我們區別於其他的生物的一個重大方面。所以我們人類文明才得以這樣高速發展。只有極少數的人和地方是反過來的。即便如此，這些人和地方也要享受現代化帶來的各種方便。即使北朝鮮這樣的地方，還是有因特網，儘管他們的網與外部不聯。我在北朝鮮時發現到處都是電腦，還要給你“顯擺”：我們用的是最新的一款Windows。可見連北朝鮮都不是反智的。所以這就說明人類的科學問題，才是最基本也最為重要的問題。從科學問題的解決，由此發現新知識，而這個“新”是對全人類的“新”，才是真正具有普遍意義的。
這裏應該提到工程問題和科學問題的不同。最顯著的一個區別就是，工程問題不存在一個唯一的解，而科學問題的答案是唯一的。比如說你要造一座橋，這是一個工程。當然，工程跟工程問題又是兩個概念。雖然是工程，但如果沒有任何問題，那就不構成工程問題，只是一個工程而已。如果這是一座與眾不同的橋，帶來了許多新問題。這就變成一個工程問題。但答案並不是唯一的，也就是說，可以有多種解決方案。而科學問題的答案卻是唯一的。可能你會說，我所研究的科學問題，也可能有多種答案。那只能說明你這個問題還沒研究透徹，還是處在模棱兩可的境地。這個研究還要繼續深入下去，這也就是科學研究的意義所在。否則，這個問題已經得到解決，你也就沒有必要再研究下去了。如前所說，新的知識一定是對全人類來講是新的，從來沒有過的。你不能說這個東西是對我們國家或對某些地區來說是“新”的，你做的東西便是科學研究。這只能叫做“填補空白”。說不好聽一點，叫做“reinventing the wheel”，即重新發明輪子。輪子據考證是五千年前就有了，最早似乎是在兩河流域出現的，在出土文物中有人拿著長矛站在車子上的圖案。而在古埃及也早就有戰車。所以，重新發明輪子不能算作科研創新，儘管有許多人樂此不疲。
更進一步，我們會發現，工程問題在絕大多數情況下都連帶著科學問題，不然只能更退一步算作技術問題或者工藝問題。當然，技術問題和工藝問題也很重要。比如說鋰電池，一百多年前的人們就知道幾乎所有的金屬都能夠發電，只要被氧化就可以做成電池。鋰是最輕的金屬，做成電池便於攜帶，但是化學上非常活潑，所以用來做電池就很危險。怎麼把鋰做成沒有危險的電池，這是個工程問題。但是在解決的過程中，會遇到許多未知的東西，比方說什麼情況下鋰會發生化學反應，等等。有些可能不一定是定性的，而是定量的，這些就成了連帶著的科學問題。當然，這些也需要在此後章節中進一步討論。
此外，科學研究不是少數人的事情，而是全人類的一個共同事業，而且因為今後人工智慧等發展，可以預見人類會越來越“閑”，會逐漸從體力勞動中解放出來。那麼之後可以大量開拓的工作是什麼呢？可以是學習與創新。而科學研究-尋找新知識，成為其中最重要的部分。
這裏不得不提到另一件相關的事情，我們人類歷史上總有一些非常容易滿足的人，其中不乏站在高處的學者。在19世紀末，有一種論調認為人類已經掌握了物理學的幾乎全部知識，認為後代們只需做些修修補補的工作就可以了。但是隨後量子力學的出現，一下子打破了平靜， 讓人們明白了自己只是掌握了物理學的一小部分，還有很多未知領域等著我們去探尋。之後經過一百年的發展，到千禧年左右，又有人提出，我們已經解決絕大部分科學問題，“自信”的程度令人匪夷所思。在2005年，慶祝Science創刊125周年之際，該雜誌社收集了125個最具挑戰性的科學問題。這些問題明確地顯示了人類還很“無知”。其中涉及人類的起源，生命科學，天文地理都有。理工科各領域大概也有十幾個問題。125個問題裏面還有六個是數學問題。雖然這些問題都很大，跟我們的日常生活卻沒有太直接的關係。但這些標誌著我們認知的進展，以及人類文明的進步。
反過來講，如果在應用研究當中，陰差陽錯遇到了一個類似於這樣的科學問題，儘管這個問題的解決跟應用的成功沒有太大的聯繫，這個時候就不應該功利主義，而放棄科學問題的研究。費馬大定理（猜想）的證明就是個例子。費馬猜想被懷爾斯在90年代中期徹底證明，被認為是20世紀人類最偉大的進步之一。費馬大定理看起來很簡單，是一名法國“業餘”數學家提出來的。與畢氏定理相似，A平方加B平方等於C平方， A、B、C都可以為整數。但是如果平方變成三次方四次方五次方，一直到任何整數次方，ABC有沒有整數解呢？猜測是完全沒有整數解。表面上這個問題太簡單了，小學生都能理解。但是居然一連350多年沒被解決。懷爾斯在十歲的時候，到圖書館看書，就被費馬大定理所吸引，然後下決心一定要完成這個人類的巨大挑戰。懷爾斯雖然是普林斯頓大學的教授，卻花了七年時間躲在自己家的閣樓上，去證明一個表面上跟費馬大定理並不相干的猜想，但兩者在數學上相聯。當然中間的連接是經過好幾個人的努力完成的。而這個猜想本身，則是50年代由兩個日本小夥子，在戰後的廢墟上作出來的。在1994年劍橋召開的又一屆國際數學大會上，懷爾斯向全世界宣告，這個近360年的問題終於得到瞭解決。儘管他在文章最終發表的時候已經超過了四十歲，無法獲得菲爾茲獎。但是他的豐功偉績被拍成了電影。很顯然，越是長時間沒有解決的問題，越是重大。所以如果各位在解決工程問題時，發現了一個相關的科學問題的時候，不要放棄。更不要覺得，這個東西做了對我沒用。你一輩子只要做這樣一件事情，已經為人類做出了重大貢獻。因為科學問題解決給人類所帶來的影響往往是無可比擬的。