当代科学家的工程师角色

郦全民

【关键词】科学家 科学工具 科学家精神

【中图分类号】G305 【文献标识码】A

科技强则国强，科技兴则国兴，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民幸福安康。当前世界百年未有之大变局加速演进，我国发展面临的国内外环境发生深刻复杂变化，一些西方国家在科技创新领域对我国进行封锁打压，核心技术“卡脖子”的问题日益突出，对加快科技创新提出了更为迫切的要求。在此种情况下，我们需要认识到，没有挺得起腰的科学家精神，很难有站得住脚的科学成果。新时代新征程，我们要充分认识科学发展的新趋势，大力弘扬新时代科学家精神，加快实现高水平科技自立自强。

当代科学发展的新趋势：认识价值和实用价值融合统一

近代自然科学诞生的一个主要标志是运用实验和观察方法去认识自然现象。对于当时的科学家来说，当需要从事实验或观测时，他们往往亲自发明或制作工具。也就是说，他们需要担当起发明家和工程师的双重角色。比如，伽利略为了做斜面实验发明了可精确计时的水钟，为了天文观测制作了放大倍数更高的望远镜；牛顿为了做光学实验发明分光仪，为了消除色差制作反射望远镜。不过，当时的科学仪器还比较简单，科学家本人或在少量助手的帮助下便能制作。

随着科学的不断演进和复杂性的增加，科学家内部逐渐产生了分工：有些从事理论探索，有些从事经验研究，当然，也有一些能在两个方面均有建树。由于科学的对象是自然界中的具体事物，所以，在科学共同体中，运用实验或观察方法从事经验研究的科学家占大多数。对于经验科学家而言，实验或观测工具的设计和制作既可以亲自动手，也可以从专门生产仪器和设备的公司购得，或者两者兼为。不过，倘若想要站在科学的最前沿，发明、设计以及制作针对研究对象的新工具便成为极具挑战性和创造性的关键一步。由此，科学家要担当起卓越的工程师（包括发明家）角色。

大约自20世纪80年代以来，科学的发展呈现出一些新趋势。总体来说，那些足以改变科学面貌的重大发现和理论创造的资源越来越少，科学研究的重心转向了探究与人类自身生存和发展直接相关的问题。这些问题主要集中在新型材料和器件、医疗健康、生态环境、生活质量以及经济社会等方面。从尺度上说，基础性科学（物理学、化学和生物学）的研究主要聚焦于从原子到细胞的层次。那么，在这些层次中，科学研究出现了哪些与以往不同的特点呢？

首先，物质系统的基本组元和基本规律已经明了：我们知道原子有多少种类，由什么组成，内部和外部的基本作用力是什么；相应的基本理论也已相当成熟，量子力学和量子电动力学原则上能对几乎所有的现象作出科学的解释。研究重点不再是发现未知的基本存在物或基本规律，而是要集中探究由已知的组元和规律所限定的物质系统的具体结构、性能以及过程。也正是从分子层次开始，物质系统呈现出我们通常所说的复杂性，即涌现出各种各样新的结构、性能以及过程，且具有很强的个性。比如，虽然组成蛋白质的氨基酸只有20余种，但它们之间能够耦合的方式和连接的长度却是极其多样的，因此，由蛋白质组成的系统便呈现巨大的复杂性。

其次，科学的两种基本价值越来越融合。科学的主要目的是增进人类的知识并造福于人类，因而，其具有两个方面的基本价值：认识价值和实用价值。在探明基本存在物和基本规律以后，人们之所以依然花费巨大的精力研究各种物质系统的结构和性能，不仅是为了加深理解，也希望在理解的基础上利用这些物质系统的结构和性能，发明和制造可服务于人类生产和生活的新产品。比如，在对石墨烯的结构和性能有了一定的认识后，人们开始研究如何将其转化为产品，以期为人类所用。显然，如果能够深入了解一种自然物质的组元、结构和实现其性能的具体机制，我们就有可能根据事先设想的目标来合成新的材料或生成新的物态，实现认识价值与实用价值的统一。

最后，计算机和计算技术成为科学研究的强有力工具。20世纪80年代以来，随着计算机和互联网的广泛使用，一种科学研究的新方式迅速开启，即除了理论和实验以外的计算方式。这种方式通过建构计算模型、介入数据处理和分析、建造人工智能系统等具體途径，改变了科学的具体面貌和科学家的工作习惯。

推动科学进步的关键因素：新工具和新技术的发明

当科学的重心是研究从原子到细胞的微观对象的结构、性能和动态过程时，最有效的方法就是直接地去观测、追踪或操控这些对象。而要做到这一点，只有通过发明新技术、制作新工具方可实现。事实上，近几十年来，人们已经发明或完善了多种探测和操控微观对象的新技术和新工具，如扫描隧道显微镜、荧光蛋白技术、激光镊子和冷冻电子显微镜等。这些新技术和新工具不仅极大地推动了基础科学的发展，而且为科学成果的应用和产品的开发开辟了新方向。这是因为一旦可运用工具对原子、分子和细胞等进行观测或操控，就能将获得的认识成果用于设计或制造新的材料、微型器件或药物，进而实现认识价值与实用价值的融合。至于作为科学研究工具的计算机，在收集和处理数据的过程中已经变得必不可少。特别是一些涉及海量数据和计算的大科学问题，只有在计算机和计算技术的帮助下才能展开和求解。

实际上，近十年来，大约一半的诺贝尔物理学奖和化学奖颁发给了发明新工具和新技术的科学家。比如，2017年诺贝尔化学奖授予了雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）、乔基姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），以表彰他们研发出能对生命分子进行三维成像的冷冻电子显微镜技术。2018年诺贝尔物理学奖授予了亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin），是因为其发明了光学镊子，可以使用激光光束来抓取粒子、原子以及分子①。这足以表明，新工具和新技术的发明或发展在当代科学研究中的分量。

在科学的许多领域，新工具的研发通常是进行前沿研究的科学家所为，因为他们能够洞察值得探究的科学问题，知道需要研发什么样的仪器或设备以便更好地去认识对象，也具备将科学原理加以物化发明新工具的知识。比如，阿斯金是一位专注于激光和非线性光学研究的物理学家，其在发明光学镊子的过程中充当了工程师的角色。而有些人在职业上原本是工程师，但在研发和使用仪器的过程中，偶然地作出了重大的科学发现。最有代表性的是宇宙微波背景的发现。1964年，美国贝尔实验室的无线电工程师阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在调试灵敏度很高的喇叭天线时，意外地检测到天空中存在着一种挥之不去的“噪声”。后来从天体物理学家罗伯特·迪克（Robert H. Dicke）那里得知，这是宇宙大爆炸留下的痕迹。宇宙微波背景是20世纪最重要的科学发现之一，彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。与在顶级期刊发表论文而获得曝光的科学家相比，科学仪器的发明者和制作者往往要经年累月地默默工作，因此更需要有淡泊名利、甘坐“冷板凳”的奉献精神。

在当代科学前沿，需要担当工程师角色的并不仅指研发仪器和设备的硬件工程师，也包括开发程序（尤其是人工智能系统）的软件工程师。近年来，随着人工智能技术的突飞猛进，通过设计和制作人工智能工具来解决科学问题，已经成为推动科学进步的巨大力量。具有标志性的是运用机器学习系统求解蛋白质折叠问题（是指如何从蛋白质的氨基酸序列确定它的空间结构，这困扰了科学家们近半个世纪）。2021年7月，谷歌公司旗下的“深度思维（DeepMind）”团队的人工智能程序“阿尔法折叠”（AlphaFold），成功预测出98.5%的人类蛋白质结构。②在科学界，目前普遍认为这是21世纪以来最为重要的科学成就之一。值得注意的是，“阿尔法折叠”可以作为一种新的科学研究工具，在其研发过程中，很多人担当了软件工程师的角色或者本身就是软件工程师。如“深度思维”公司联合创始人德米斯·哈萨比斯就兼具科学家和工程师的双重身份。可以预见，研制人工智能系统，并通过人机协同去解决具体的科学问题，将成为未来科学研究的主要方式之一。

新发明的科学工具对于探测或操控微观对象或复杂对象具有关键作用。比如，在脑科学中，发明新的更有效的探测大脑结构和动态过程的仪器是最为重要的。因为这样的仪器能够厘清大脑的工作原理，为理解认知机制、意识现象和防治疾病提供坚实的科学基础。而这些仪器的发明，正是在已有科学理论的定向指导下，不断地将设计的原理和构思等外化于具体的物质载体的过程。这意味着，优秀的科技工作者不仅需要掌握前人已经积累起的相关科学知识，而且还应成为卓越的工具研发者。因为只有这样，才能充分将认知成果运用于技术的发明和更新之中，真正走在科学的最前列。正如中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员、南方科技大学讲席教授杨学明提出的，“一定要强调科学仪器的重要性。只有发挥创造力，做真正独特的科学仪器，才有可能引领科技创新”。需要指出的是，每个人的能力总是有限的，且当今的科学研究也主要是以团队的方式展开。因此，我们所说的科学家要担当工程师角色，并不意指每个科学家都应该做工程师，而是说一个科学家团队应该具备这种能力。

当前我国科研领域的薄弱环节：新的科学工具和高端科学仪器研发不足

新中国成立以来，特别是改革开放以来，我国的科学事业蓬勃发展，取得了举世瞩目的成就。就发表科技（不单指科学）论文的数量而言，中国科学技术信息研究所发布的《2023中国科技论文统计报告》显示，我国各学科最具影响力期刊论文数量首次超过美国位列世界第一位，高水平国际期刊论文数量及被引用次数也均排在世界首位。截至2023年7月，我国的热点论文数为1929篇，占世界总量的45.9%，数量比2022年统计时增加了6.7%，世界排名保持在第1位；按第一作者第一单位进行统计，我国发表高水平国际期刊论文9.36万篇，占世界总量的26.9%，被引用次数为64.96万次，论文发表数量和被引用次数均排在世界第一位。③这些数据证明了我国科技论文国际影响力的持续提升。但需要注意的是，我国真正重大的（比如诺贝尔奖级别的）科学发现和理论创造依然较少，具有世界影响的科学家还为数不多。比如，近十年来，人工智能（主要是机器学习）不断掀起热潮，我国研究人员发表的论文数和申请的专利数均已达到世界第一。但不可否认，我国人工智能研究仍存在顶天难落地难的问题。那么，阻碍我国科学研究整体性地达到高峰的原因是什么？一个既明显又关键的因素就是新的科学工具和高端科学仪器的研发不足。比如，迄今为止，我国自主掌握的核心技术较少，科学（包括技术）工作者使用的绝大部分高端仪器依赖于进口。

近年来，我国已经充分意识到科学仪器的基础性和重要性。习近平总书记指出：“科技攻关要坚持问题导向，奔着最紧急、最紧迫的问题去。要从国家急迫需要和长远需求出发，在石油天然气、基础原材料、高端芯片、工业软件、农作物种子、科学试验用仪器设备、化学制剂等方面关键核心技术上全力攻坚，加快突破一批药品、医疗器械、医用设备、疫苗等领域关键核心技术。”④道理显而易见：跟在别人后面走，即便做得再好，也只能跟踪、模仿，做补充研究。因此，提升科学仪器研制水平和使用效率、树立科学仪器发展的正确理念、培养科学仪器研发人才等对我国高端科学仪器的发展至关重要。需要指出的是，不同于面向一般性生产和消费的仪器设备的制作，高端科学仪器和工具的设计和制作，需要研发者洞察尚待探究的科学问题、掌握相关的科学原理，这就意味着需要科学家勇于承担、积极推进。而且，这类任务周期长、工作量大，难以发表论文和产生直接的社会影响，因此特别需要弘扬科学家精神。新中国成立以来，广大科技工作者在祖国大地上树立起一座座科技创新的丰碑，也铸就了独特的精神气质——科学家精神：胸怀祖国、服务人民的爱国精神，勇攀高峰、敢为人先的创新精神，追求真理、严谨治学的求实精神，淡泊名利、潛心研究的奉献精神，集智攻关、团结协作的协同精神，甘为人梯、奖掖后学的育人精神。在新时代的伟大征程上，广大科技工作者应自觉践行、大力弘扬科学家精神。

面对科学教育和人才培养的新挑战，需要弘扬甘为人梯、奖掖后学的育人精神

近几十年来，以计算机和互联网为标志的信息技术的飞速发展和广泛应用，对于基础科学的研究产生了巨大影响。一方面，新的计算工具和计算技术为科学研究提供了重要手段；另一方面，新技术领域对人才的吸引力不断增大，对未来科学家群体产生了一定的分流效应。在这样的大背景下，我国教育部门推出了“强基计划”以及“拔尖计划”等措施，希望以此来培养一批日后从事基础研究的后备人才。但不可否认，受文化传统和考试制度等多种因素的影响，我国一些学生存在重视书本知识、轻视动手能力等问题。在书本知识方面，其重视通过解题巩固知识以备考试，而轻视对科学原理的理解以及如何将科学原理运用于实践的探究。此外，虽然我们经常可以听到要培养交叉学科或跨学科人才的呼吁，但这种呼吁往往指的是文与理之间、不同的相关学科之间进行交叉，却很少有人意识到，即使在基础科学领域，也要实现“理”与“工”之间的交叉。比如，在基础科学的教育和研究中，科学仪器通常被认为是可以购买的产品，因而会忽视一个优秀的科学家应该具有研发新工具的能力。由此，发掘一批对科学研究有兴趣、有潜力的人才投身于基础学科，不仅是弘扬新时代科学家精神的重要路径，更是培养和储备基础学科拔尖创新人才的有力举措。

事实上，导师在知识、经验、智慧、思维的传承上有着不可代替的作用，一流科学家的学术视野、研究方法、人格修养等能够给予学生深远的影响。正如习近平总书记指出的：“科技创新，贵在接力。”“才者，材也，养之贵素，使之贵器。”只有重视科技人才的培养，学界才能“后浪”辈出，我国的科技工作才能实现可持续的发展。广大科技工作者应在创新人才培养中发挥识才、育才、用才的导师作用，真正做到言传身教，甘做“铺路石”和“领路人”，鼓励年轻人大胆创新、勇于创新，让青年才俊像泉水一样奔涌而出。

综上所述，人无精神则不立，国无精神则不强。新时代需要广大科技工作者发扬“爱国、创新、求实、奉献、协同、育人”的科学家精神，肩负起历史赋予的科技创新重任，把自己的科学追求融入全面建设社会主义现代化国家的伟大事业中。

（作者为华东师范大学哲学系、知识与行动研究中心教授、博导）

【注：本文系国家哲学社会科学基金重点项目“人工智能驱动科学的哲学基础研究”（项目编号：23AZX020）阶段性成果】

【注释】

①《2018诺贝尔物理学奖获得者出炉：美法加三名科学家因激光物理获奖》，海外网，2018年10月2日。

②《人工智能程序预测出98.5%的人类蛋白质结构》，新华网，2021年7月23日。

③《首次超过美国！我国各学科最具影响力期刊论文数世界第一》，《光明日报》，2023年9月20日。

④《习近平：在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话》，新华网，2021年5月28日。

责编/孙渴 美编/杨玲玲