世界科技创新的趋势与启示*本文根据2013年9月12日中国科学院院长白春礼院士在中国科学院院士上海浦东活动中心第85期“中浦讲坛”上作的“当前世界科技创新趋势与启示”报告整理而成。
白春礼男，满族，1953年9月生，辽宁人。博士，化学家和纳米科技专家，研究领域包括有机分子晶体结构、EXFAS、分子纳米结构、扫描隧道显微镜。
现任中国科学院院长，党组书记，学部主席团执行主席，发展中国家科学院院长。1996年任副院长、党组成员；2004年任常务副院长、党组副书记(正部长级)。中共十五届、十六届、十七届中央委员会候补委员，十八届中央委员会委员。中国科学院、发展中国家科学院、美国国家科学院、英国皇家学会、俄罗斯科学院等10余个国家科学院或工程院院士。兼任中国微米纳米技术学会名誉理事长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家等。中央人才工作协调小组、国家教育体制改革领导小组、我国国民经济和社会发展“十二五”规划专家组成员，国家科技奖励委员会副主任委员等。他还是若干化学和纳米科技领域重要国际学术刊物的共同主编或国际顾问编委。
现阶段“现代化进程的强大客观需求”和“知识技术体系的内在矛盾”正孕育着新的一轮科技革命，世界正处在第六次科技革命的前夜。200多年的工业化进程催生出一系列的新问题。经济发展的客观需求迫切需要开发新的资源、能源，创新发展模式和发展途径，创建新的生产方式和生活方式。“基础科学问题”“能源和资源领域”“信息网络领域”“先进材料和制造领域”“农业领域”和“人口健康领域”，这六个方面孕育着重大的创新突破。科学问题的重大突破和技术的变革将深刻影响人类的生产和生活方式，影响社会发展的进程，影响国家的国际竞争地位。把握新一轮科技革命的战略机遇，将大幅度提升我国自主创新与规模产业化的能力。
一、世界科技发展处在第六次科技革命的前夜
目前，全球经济正进入深度调整期。一方面，经济整体复苏艰难曲折，国际金融领域仍然存在较多风险，各种形式的保护主义上升，各国调整经济结构面临不少困难；另一方面，世界各国相互联系日益紧密，互相依存日益加深，发展中国家几十亿人口正在努力走向现代化，和平、发展、合作、共赢的时代潮流更加强劲。
美国国家情报委员会撰写的《全球趋势2030》认为：现阶段人类面临的复杂而严峻的问题，既是对经济社会的挑战，更是对科技的挑战，需要综合运用自然科学、人文社会科学和各种技术手段去研究、去创新、去解决。
1.前五次科技革命及其影响
科技革命包括科学革命和技术革命。“科学”源于拉丁文scientia，本义是知识和学问的意思。通常认为，科学以探索发现为核心，主要是发现、探索研究事物运动的客观规律。科学发现，特别是纯科学的原始性创新突破，也就是纯基础研究，在于人们对科学真理的自由思考和不懈探索，往往不是通过人为地计划和组织来实现的。“技术”由希腊文techne（工艺、技能）和logos（词，讲话）构成，意为工艺、技能。一般认为，技术以发明革新为核心，着重解决“做什么、怎么做”的问题。
人类文明发展到现在，共发生了五次科技革命，其中两次属于科学革命，三次属于技术革命。这几次科技革命直接推动了人类历史上的两次工业革命，从根本上改变了全球的经济与政治格局。
第一次科技革命发生在16世纪和17世纪，这次科技革命表现为哥白尼、伽利略、牛顿等人学说的建立，其标志着近代科学由此诞生，这也是人类历史上第一次科学革命；第二次科技革命是在18世纪中后期，其标志是蒸汽机与机械革命，表现为蒸汽机、纺织机、工作母机的发明，这是第一次技术革命，它带动了第一次产业革命；第三次科技革命是在19世纪中后期，其标志是内燃机与电力革命，表现为内燃机、电机、电讯技术的产生，这是第二次技术革命，它催生了第二次工业革命；第四次科技革命是在19世纪中后期至20世纪中叶，其标志是进化论、相对论、量子论、DNA双螺旋结构等理论的诞生，这是第二次科学革命；第五次科技革命是在20世纪中后期，其以电子计算机的发明、信息网络的诞生为标志，表现为电子技术、计算机、半导体、自动化乃至信息网络的产生，其属于第三次技术革命的范畴。
历史上抓住科技革命，特别是技术革命的国家都会发生翻天覆地的变化。在第一次技术革命中，英国崛起成为世界头等强国，其工业生产能力相当于全球的40%～50%，欧洲大陆和美国先后进入工业化进程。在第二次技术革命中，德国迅速跃升为世界工业强国，美国在世界工业生产中的份额上升到第一位，日本建立了工业化基础。在第三次技术革命中，美国、德国、法国、英国等国进入工业化成熟期；日本实现了经济的腾飞，1950~1985年，其经济增长高达120倍。
但200多年的工业化进程也催生出一系列新的问题：全球仅有不到10亿人口实现了现代化，自然资源和化石资源面临枯竭的威胁，自然环境遭受巨大的破坏等。如果继续按照传统的发展模式，将给自然资源的供给能力和生态环境的承载能力带来更大的挑战。因此，经济发展的客观需求迫切需要开发新的资源、能源，创新发展模式和发展途径，创建新的生产方式和生活方式。
同时，科学技术知识体系的内在矛盾正在凸显。比如，宏观领域里占宇宙总体质量96%的暗物质、暗能量，现有物理理论框架对此无法解释。再比如，微观领域里“量子系统的相关控制”（量子规律的被动观测及其宏观体现的应用、对单个量子的形态进行人工制备、对多个量子的互相作用进行主动调控），将突破信息和物质科学的经典极限。内外因的共同作用正在催生第六次科技革命的诞生。
2.新一轮科技革命将引发的深刻变革
新一轮科技革命以及由此引发的产业革命将涉及科学与技术的深刻变革，其中对未来影响较大的技术是能源技术、信息技术和生命科学技术，这些新兴技术将提供强大的支撑，引领产业的全新发展。在能源技术方面，能源的生产和消费方式将实现重大变革：一方面，清洁能源（风能、太阳能、核能等）将逐步取代化石能源，在全球能源供给上发挥越来越重要的作用；另一方面，能源生产者和消费者的界限将变得模糊，每个家庭、每个建筑不再是单纯的能源消费单位，而是能够参与能源生产，甚至能够输出能源的生产者。能源形式的改变将深刻改变现有众多产业的格局，比如汽车产业，电动汽车将有可能彻底颠覆传统动力汽车。在信息技术方面，云计算、大数据、虚拟现实、移动互联网、物联网等技术将实现突破，将对信息技术应用模式带来一场深刻的变革，信息技术和信息产业将进入一个新的发展时期，信息技术将渗透人类生产、生活的方方面面，为我们提供一个更智慧的生活模式。以智慧城市为例，云计算技术将提供数据计算与处理综合平台，提升资源利用效率，降低智慧成本；大数据技术将“智慧”地处理城市积累及正在产生的海量数据，将其转化为有价值的信息；移动互联网技术、物联网技术将成为城市的神经，及时反馈各类信息。在生命科学技术方面，其将进一步揭示生命机理物构造和遗传的秘密，极大地促进人口与健康、农业高新技术、生态环境、食品和化学工业等领域的发展。同时，生命科学的研究，还将为电子计算机、人工智能、工程控制论等的研究，提供许多新的启示。例如，人类以后计算机的研制要借鉴生物自身具有的各种调控程序，而这方面的研究也已开始，如生物计算机及对人体大脑解密的智能计算机。
二、未来世界科技的战略性机遇
目前全球的科技创新（图1）呈现出以下特点：①领域的前沿不断拓展，学科间交叉、融合、汇聚，新兴学科及新的前沿领域不断涌现。②基础研究、应用研究、高技术研发的边界日益模糊，并相互促进、融合为前沿研究，从科学发现到技术应用的周期越来越短，如巨磁电阻效应（其发现者获2007年诺贝尔物理学奖），从发现到成功应用于硬盘读出磁头，间隔仅8年（1988~1996年），使硬盘容量发生了从MB到GB再到TB的巨变。③全球科技竞争日益剧烈，产学研合作也更加广泛，知识共享和知识产权保护同时发展。④目标导向的基础研究和应用研发结合的模式倍受重视，转移转化研究、工程示范、企业孵化、风险投资、高技术园区等兴起。⑤科技创新组织模式正在发生重大变化，网络和信息技术提供了强大的工具和平台，使创新无处不在、无时不在、无所不在，呈现出专业化、个性化、社会化、网络化、集群化、泛在化特征。图1世界科学技术发展的路径
对于新科技革命的重大创新突破可能发生在哪些方面，科学预测也不会很准，但是大的方向是可以预期的，具体有六个方面：一是重要的基础科学问题，二是能源与资源领域，三是信息网络领域，四是先进材料和制造领域，五是农业领域，六是人口健康领域。
1.重要的基础科学问题重要的基础科学问题具体指的是“一黑”（黑洞）、“两暗”（暗物质、暗能量）、“三起源”（宇宙起源、天体起源、生命起源）。
这些基础科学问题一旦能够实现突破，不论是在科学界还是产业界都将带来根本性变革。例如，在暗物质领域，暗物质的能量是目前已知世界物质能量的3倍多，揭开暗物质、暗能量之谜，将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论和量子力学之后，人类认识宇宙的又一重大飞跃，将引发新的物理学革命。在生命的起源与进化领域，合成生物学已取得重要进展，可以从系统整体的角度和量子的微观层次来认识生命的活动规律，进而打开从非生命物质向生命物质转换的大门。2011年，美国麻省理工学院的丹尼尔 诺切拉等成功地开发了“人造树叶”，其光合作用效率是天然树叶的10倍，合成生物学不但为探索生命起源和进化以及光合作用机理开辟了崭新途径，还将使人类从“临床医学时代”走向“健康医学时代”，同时也将推动生物制造产业的兴起与发展，成为新的经济增长点。在量子学领域，科学家已经能够对单粒子和量子态进行调控，对量子世界的探索从“观测时代”走向“调控时代”，未来将在量子计算、量子通信、量子网络、量子仿真等领域实现变革性突破，用于制备新型量子器件，如量子信号传感器、新一代低能耗晶体管和电子学器件、拓扑量子计算机等，成为解决人类对能源、环境、信息等需求的重要手段，其意义不亚于量子力学的建立导致的20世纪信息革命。在意识本质领域，科学家将探索智力的本质，了解人类大脑和认知功能，一旦突破将极大地深化人类对自身和自然的认识，引起信息与智能科学技术新的革命。2013年4月12日，美国白宫公布了一项被认为可与人类基因组计划相媲美的脑科学研究计划，以探索人类大脑的工作机制、绘制脑活动全图等。
2.能源与资源领域
人类必然从根本上转变无节制耗用化石能源和自然资源的发展方式，迎来后化石能源时代和资源高效、可循环利用时代（表1）。表1太阳能、生物能源现状及2030年预期
类别现状2030年预期太阳能光伏太阳能具有明显的增长潜力，但也有其局限性得益于光电、存储技术和智能电网解决方案等技术的进步，与化石资源相比更具竞争性生物能源将非食物生物转化为能源的技术是可行的，但并不具备竞争力非食物生物质将会逐渐成为能源与化学原料的一种替代性资源资料来源：《全球趋势2030》
一方面，可再生能源和安全、可靠、清洁的核能将逐步取代化石能源，成为人类社会可持续发展的基石。人类在致力于节能和清洁、高效利用化石能源的同时，必须致力于调整能源结构，发展先进可再生能源，提高可再生能源的比重，发展先进、安全、可靠、清洁的核能及其他替代能源。另一方面，要不断提升传统资源开采技术，拓宽资源获取渠道，保障能源供应。①进行深部资源探测。世界上一些矿业大国勘探开采深度已达2500～4000米，而我国勘探深度一般为500米。②开采海洋天然气水合物。2013年3月，日本经济产业省宣布，由石油天然气和金属矿产公司领导的实验小组已从海底成功提取可燃冰，这是全球首次通过在海底分解含有大量天然气成分的可燃冰来取得天然气。目前，已探明的可燃冰储量已相当于全球传统化石能源储量的两倍以上。③开采页岩气和页岩油。页岩气和页岩油资源的技术可采潜力巨大，美国使用人工地震和水平钻探等开采技术，成为大规模商业开采页岩气的国家。2010年，美国页岩气产量达1378亿立方米，占美国天然气产量的25%左右，近5年年均增长48%，200多家企业掌握了页岩气开采技术，正在推动一场“页岩气革命”。
3.信息网络领域
信息技术和产业正在进入一个转折期，2020年前后可能出
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