本文系中国科协原主席周光召院士，中国科协首届学术年会开幕式上所作的学术报告
一、现代科学技术发展的历史带来的启迪
二十世纪最富创新力的科学发现是相对论、量子力学和基因双螺旋结构。最有社会影响和带动力的科学工程是制造核武器的曼哈顿工程和阿波罗登月工程。中国在被封锁的条件下，也成功地研制了两弹一星，振奋了国威军威，提高了中国的国际地位和中国人的自信。我们应当分析这些成功的经验，从中得到启迪，创造重大的科学发现得以产生的环境和条件。
主要讨论以下四个问题：
(一)世界科学中心的转移
1.英国是最早的世界科学中心
直到十九世纪末，英国作为世界上率先完成工业革命和占有大量殖民地的国家，在科学发展上起着带头作用。英国是力学、电磁场理论和进化论的创始地。英国人首先发现电子和原子结构，所以直到二十世纪初，英国仍是当时世界科学的中心。这是和英国当时的经济和政治地位相称的，这也说明，有了经济的发展，社会对科学的支持，这个地区或国家，就有条件成为发展世界科学的中心。
科学没有国界，是人类共同发展共同享有的成果。在英国成为世界科学中心的同时，欧洲各大国都对科学发展作出了重要的贡献。十八和十九世纪，英国人焦尔和德国人赫尔姆斯创立了能量守恒的热力学第一定律，法国人卡诺发现了热力学第二定律。英国人道尔顿提出了原子论，俄罗斯人门捷列夫发现了元素周期表,德国人开创了有机化学,他们都对化学的发展作出了贡献。分析动力学是法国人拉格朗日、爱尔兰人汉密尔顿和德国人贾寇比共同发展起来的。
同时，欧洲一直注重数学的发展。数学的发展不需要很多经费，而是需要创造性的环境和思维。早在十七世纪和牛顿同时代，就有德国的菜伯尼兹，独立地发现了微积分。到十九世纪，尽管英国当时的经济是最发达的，欧洲大陆的数学已经超过英国，出现了 Gauss、 Riemann、 Laplace、 Poincare等杰出的数学家。
在十九世纪末，出现了物理学的危机。人们曾经认为，到十九世纪下半世纪，力学、热学、电磁学、光学的理论都已成熟，能够解释所有有关的物理现象。这种乐观的看法很快就遭到了新的挑战。
在上世纪末，由于法国人发现放射性物质,德国人研究了黑体辐射频率分布，美国人发现光速不随地球相对于太空的运动而改变等等现象，这些现象都不能够用已发展出来的原有的理论来解释。在这种危机下，出现了相对论和量子力学。
二十世纪初期的三十年，最重要的理论发现有相对论和量子力学，对物质结构的认识深入到原子的层次。1905年德国人爱因斯坦在研究运动物体的电动力学时，提出了相对论和光速不变原理，确立了质量能量等价和时间空间变换关系，完全改变了牛顿力学的世界观。1915年爱因斯坦提出了关于重力的广义相对论。
在二十世纪的重大科学发现中，相对论比较特殊,因为它基本上是由爱因斯坦一个人完成的。无疑，爱因斯坦的个人天才在这里边起到决定性的作用，这和其他科学发现的环境条件不同，是可遇不可求的。
值得指出的是，爱因斯坦发明狭义相对论和成功解释光电效应时，只是一个专利局的职员，没有受到大学或研究机构的重视。当时他想在大学和研究机构申请一个职位都没有得到，处于一种不得志的状况，这是很值得我们注意的一件事。
关于量子力学的发现，经历了这样一个过程。1900年德国人普兰克首先提出光的量子论。1905年德国人爱因斯坦用光量子论解释了光电现象。1913年丹麦人玻尔提出电子轨道的量子化，用它解释了原子结构和原子光谱。1916年俄国人索默菲得(A Somerfeld)改进了玻尔模型，计算了电子的椭圆轨道。1923年法国人德布洛衣提出电子也是一种波动。1925年德国人海森堡引进矩阵作为力学量，德国人波恩、约当和海森堡建立起量子矩阵力学体系。1926年德国人薛丁格提出量子波动力学，证明波动力学和矩阵力学等价。同年，波恩提出了波函数的统计解释。1927年德国人约当和英国人狄拉克证明了普遍的变换定理，海森堡提出测不准关系，从而量子力学理论的构建就完成了，并迅速成功地应用于原子、分子和固体结构的研究，得到了很多重要的结果。
量子力学发展的速度虽然很快，却是在激烈的学术争论中展开的。薛丁格和爱因斯坦长期不同意海森堡的理论和波恩的统计解释。爱因斯坦甚至终身都不认为量子力学是一个完备的理论。
2.德国在二十世纪初成为世界科学的中心
相对论和量子力学是二十世纪最伟大的科学发现，从上面列举的情况看，各个欧洲国家都有参与，主要部分则是德国人完成的。这就说明，世界科学中心在二十世纪初由英国转移到欧洲大陆，主要是到了德国。
德国为什么在二十世纪初能成为世界科学的中心?
德国在当时并不是经济最发达的国家。量子力学发现时，就是1925年左右，德国正经历第一次世界大战失败后经济特别困难的时期。正是这种经济形势导致了三十年代法西斯的上台。当时，德国科学家的生活和工作条件都是很差的。可见，在条件不够好的地方也可以产生最重要的科学发现。
当时德国为什么能够做到这一点，因为它有学术传统和优势。
德国有长期尊重知识、尊重科学的传统。德国洪堡大学最早设立专门从事研究的实验室，成为其他国家大学效仿的样板。同时，德国率先成立了马克斯·普兰克研究所和若干大学的研究中心：如柏林大学、哥廷根大学、慕尼黑大学、莱布尼兹大学等。集中人才资金，同时也形成了很好的学术传统。
德国有开放和吸引人才的传统。德国在希特勒上台以前，大学采取开放流动的政策，吸引了大批犹太族的科学家去德国定居和学习。爱因斯坦、波恩等都是犹太族人。同时，德国鼓励国际的学术交流，人员的流动，吸引大批的外国留学生。美国的原子弹之父奥本海默，氢弹之父特勒、著名的匈牙利科学家冯诺曼、魏格勒，著名的俄罗斯科学家朗道等，年轻的时候都曾在德国留学过。
同时，德国当时积极培养和选拔青年。我们仍以海森堡为例。他1920年入慕尼黑大学，师从名教授俄国人索默菲得(ASomerfeld)，1923年即获得博士学位，其间(1922∽1923年)由索默菲得推荐，转至哥廷根大学，师从著名的波恩(M. Born)教授。海森堡在哥廷根大学毕业后即获得资助去丹麦哥本哈根，在原子结构量子论的创始人玻尔(N. Bohr)教授处工作了一年，至1924年回到德国。海森堡自己说，他从慕尼黑学到不怕困难的乐观主义，从哥廷根学到数学(因为当时数学的最主要的大师都在哥廷根)，从哥本哈根学到物理(因为波恩是原子结构的创始人)。这为他在1925年发现量子力学打下了坚实的基础。他发现量子力学时年仅24岁。
哲学的突破和指导作用。在相对论和量子力学突破的过程中, 应该说哲学起了很重要的作用。牛顿力学出来以后，机械论和绝对论在科学界成为了一种统治思想。德国在哲学上率先脱离了这个束缚，发展辩证法和唯物论。德国从康德开始，一直到黑格尔等，在哲学上率先脱离机械论和绝对论的束缚。科学家都有很高的哲学素养。在发明相对论和量子力学的过程中都涉及对认识论的哲学讨论。
理论联系实际。相对论和量子力学都是理论上的发现。但是德国理论物理学家重视理论和实验的结合，对当时物理实验的前沿------原子光谱作了详尽的分析。如海森堡在发明量子矩阵力学以前从事了大量光谱的分析工作，正是在分析光谱强度中寻求如何解释光谱强度的时候，找到了物理量不对称这一量子矩阵力学的关键。
数学领先。德国在十九世纪末，数学已成为领先的国家，产生了世界超一流的数学家高斯和黎曼等。二十世纪初，最著名的数学家是在德国哥廷根大学的希伯特教授，他提出的数学要解决的难题有些一直到今天还在困扰着数学家。当时，定居德国的理论物理学家中，有一批人如索默菲得和波恩在物理和数学两方面都具有很高的素养。量子力学的发现与一批物理学家掌握了当时最前沿的数学发展，如算子和希伯特空间有很大关系。
优良的学术传统。哲学思想的指导和数学的领先、理论与实验的紧密结合、学术思想的活跃和创新、研究机构的开放流动、频繁的学术交流和激烈的学术争论、对年轻人才的吸引、集聚和破格选拔，这些是德国当时成为世界科学中心的重要条件。它不仅造就了海森堡一人，而是为发展世界科学造就了一大批人。
3．二次世界大战以后科学中心转移到美国
二次世界大战后，世界科学中心转移到美国。美国利用未受战争破坏的强大经济实力，从战争年代开始就大量吸引欧洲和世界的人才，开展军事科研。战后，扩大研究规模，建立了许多国家实验室和国家科学基金会，以军事研究带动尖端技术，形成世界最强大的研究开发力量和世界的科学中心。
在战争年代，美国大量吸引了欧洲的人才，特别是犹太人，开展了曼哈顿的计划，即在美国制造原子弹。曼哈顿计划开创了科学大工程的先河。虽然美国是世界上最富的国家，经费也非常之充裕，但是曼哈顿计划因为原子放射性和军事保密的要求都必须远离城市，要在高山和荒漠的地区进行。所以，开始时，科学家在那里的工作也是非常艰苦的。
同样，在中国后来研制两弹一星，更是在艰难困苦的条件下完成的。很多同志都知道，在青海的高原，在新疆的沙漠中间，而且是在国家经济困难的时期，把这样重要的工作完成了。这些大工程计划成功的条件是什么?使得这些计划成功的基本条件是：
第一，是科学家和参与工作的全体人员的爱国心、使命感和由此而来的献身精神和高度的责任心。这一点，中国科学家完全是问心无愧的。我想，即使是美国在实行曼哈顿计划抢先制造出原子弹的时候，那些科学家也是为了反对德国法西斯而情愿抛弃原来自己的研究方向，投身到这件工作中来。第二，是实行大力协同和强大有力的组织协调。这些大工程都是非常之复杂，需要各方面工作的协调才能把它做好。一个导弹，最小的部件发生问题，整个导弹就要出事。所以，每一项工作都必须有条不紊、完全按计划进行，并且要按质、按量、按时地完成，需要强大有力的组织协调工作。第三，是人力、物力、财力的高度集中和统一指挥。在中国，当时是调集了各个学校和研究所的有关专家集中去搞两弹一星，国家在尽可能的条件下，集中了物力和财力，实行统一的指挥。在周总理、聂帅统一组织下，协调了全国各个工业部门、科研院所、解放军十万人以上的队伍，共同完成任务。
4.基因双螺旋结构的发现
美国虽然经济和科研实力雄厚，在战后也是世界的科学中心，这是其它国家在战后无法与之比拟的。但是战后最伟大的科学发现------基因的双螺旋结构，却不是在美国出现，而是在遭受战争严重破坏的英国卡文迪什实验室出现的。这个实验室在战后开创了分子生物学和射电天文学两个新领域，取得了震惊世界的科研成果，再一次说明单靠物质条件好并不一定能最快产生最好的科研成果。
早在十九世纪中叶，英国生物学家达尔文提出了生物进化学说，奥地利生物学家孟得尔提出了遗传基因的假说，而在二十世纪初，美国生物学家摩根发展了基因的假说，明确提出，基因存在于染色体上面。
基因的双螺旋结构是在二次大战后，欧洲还在医治战争创伤的1953年，由英国剑桥大学卡文迪什实验室的物理学家克里克和生物学家华生在观看了另两位英国物理学家对DNA结构的X光分析照片后发现的，当年华生只有25岁。
为什么基因的双螺旋结构是由物理学家参与而不是单由生物科学家发现的?为什么它不在当时最强盛、条件最好、有深厚基因研究传统的美国产生?英国剑桥大学的卡文迪什实验室为何能在战后经费困难的时期，连续作出了优异的科研成果?英国卡文迪什实验室是物理学实验室，有长期科研的传统，历任主任都是当时最知名的物理学家，二战前由发现电子的汤姆生和发现原子结构的卢瑟福担任主任，长期从事原子结构和原子核物理的研究，在这两方面的发展上作出过重要贡献。这个实验室也产生过多位诺贝尔奖获得者。
大战期间，多数科学家放弃了原来从事的研究工作，加入到为国防服务的行列，特别是参与发展核武器和雷达的工作。二战后，原子能与核武器的发展，由于规模大，保密要求高，不能继续在大学的实验室进行，各国都决定成立新的独立研究机构。英国核物理研究工作由卡文迪什实验室分离出去，卡文迪什实验室经费减少，面临科研方向的重新选择和确定。
战后，新任卡文迪什实验室的主任布拉格从实验室和英国的国情出发，果断地决定将实验室原有的科研积累加以发展，开辟新的研究领域。一是利用 X光衍射进行矿物晶体结构的分析技术转来进行生物大分子的结构分析，力图从分子的角度了解生物的遗传和生命现象的本质。二是利用在二战中发展起来的雷达技术，进行天文的观测和研究。
由一个以物理学前沿为主要研究方向的世界知名实验室,改为利用物理学发展出的仪器和物理学家的思维方法，重点从事天文和生物的研究，这个决定后来被证明是非常正确和极有远见的。经过几年的努力，卡文迪什实验室在这两个新研究方向上都取得了划时代的研究成果，开辟了射电天文学和分子生物学崭新领域。
战后一段时间卡文迪什实验室的主要成就是：在天文上发现了类星体和脉冲星， Pyle和 Hewish因而获得了1974年的诺贝尔物理奖。在分子生物上发现了DNA的双螺旋结构， Grick和Watson获得了1962年的生物和医学诺贝尔奖。在卡文迪什实验室分子生物学方向上工作过的科学家中，还有好几位获得诺贝尔奖。这就使得在战后困难的条件下，卡文迪什实验室重新成为世界最重要的科学中心之一。
(二)重大科学发现产生的条件
1．科学中心领导核心的关键作用
卡文迪什实验室主任布拉格从学科交叉中发现了新学科生长点，充分调动了实验室原有的技术力量，以很少的经费，在困难的条件下开创了崭新的局面。英国开创了分子生物学和射电天文学，以后在这两个领域又长期领先于世界，布拉格有很大的功劳。这说明，科学中心领导核心的学术水平和战略部署，对中心的科学发现起关键作用。
2．既要只争朝夕，又不能急于求成
从1946年开始到1953年发现DNA的双螺旋结构，经历了七年时间。对一个没有人进入过的崭新研究领域，只有信心坚定又不能急于求成的领导人，才能始终不渝地给以支持，不断地创造条件，开展学术研讨，寻找突破点。这样，才有可能在不断进行科学积累，不断吸引和发现人才的基础上，作出突破性的科学发现。
同时，在重大科学发现的客观条件已经成熟时，就要抓住时机，以只争朝夕的精神尽快地完成，取得应有的知识产权。我国氢弹在原子弹爆炸后以世界最快的速度，两年另八个月的时间研制成功，抢在法国人前面，在世界产生了很大影响，为国争了光。
3．产生重大科学发现的因素
以上的例子充分说明，物质条件在重大科学发现和重大科学工程的实现上都只是必要条件，而非充分条件。二十世纪最重要的科学发现并不是在条件最好的国家和实验室中产生的。在有了基本工作条件后，提出明确目标和战略，在科学家群体中形成使命感和凝聚力，创造促使创新思维产生的学术环境，吸引优秀人才和选择学术带头人将起更关键的作用。
4．以弱胜强，后来居上
我国是人口众多的发展中国家，在经济实力上不仅现在不及发达国家，在未来相当长时期内也不可能赶上。因此，不能期望科研经费能和发达国家相比。我们也不能说，因为科研经费低于发达国家，就不能做出世界一流的科学贡献。在创造了必要的物质条件以后，能不能重大创新，就完全取决于主观能动性的发挥。我们必需从二十世纪科学研究历史中那些以弱胜强的范例里吸取经验，建立信心，充分调动中国人的智慧、组织力量和协作精神，完成历史赋予的使命。
5．科学发现的偶 然性和必然性
产生重大科学发现当然有一定困难，因为重大的科学发现，一般是在学科交叉的生长点上出现。它不是按照常规计划，在可预见结果的情况下进行实验和逻辑推理能够得到的。计划只能在原有的科学原理框架内制订，科学家个人又受到知识面狭窄和学科传统观念的限制，多数人很难有观念上的突破。通常在探索过程中要出现多次的失败，在失败中可能发生偶然出现的现象，其中包含启发新思想的萌芽。只有不怕失败，观察敏锐的人才能在单调重复的试验中注意到新的现象或思想的萌芽，并将之发展下去。
科学发现的时机一旦成熟，发现就成为必然的，在世界上由哪一位科学家发现则是偶然的。只有那些及时抓住机遇的科学家，才能成为最初的发现人。大家知道，科学发现必须成为最初发现人，成为第二位就没有什么太大的价值。在科学上只有第一，没有第二。
6．有创新力的科学家必备的素质
首先包袱要少，失败不怕人笑话。不受原有思维方式和原有理论的束缚，敢想敢干，对新事物非常敏感，有强烈的好奇心。身体要相对健康，精力要充沛，工作要非常努力。我们可以看到，世界上一些作出杰出贡献的科学家，每一天的工作时间都超过16小时以上。
不要受各种社会和家庭事务的干扰，脑子高度集中，日夜处于创新的临界状态，从而容易作出重要成果。
7．自信、善于学习和做好战略选择是有所发现的基本条件
我们要有严格的科学态度，掌握先进的科学方法，在此基础上建立起充分的自信。自信不足，不敢碰难问题，满足于跟踪模仿是巨大的思想障碍。在我们科技界中间，现在仍然缺乏自信。我们可以看到，很多课题，基本上是国外提出来的,国内只有很少的人有充分的自信，敢于提出国外没有提出来的问题。
要善于学习，既要能站在巨人的肩膀上前进，不因为无知去重复人家已经做过的工作，但是又不盲从权威人士的意见。如对克隆动物，过去的权威人士就一致认为成年动物的体细胞是不可能克隆的，很多人就相信，根本不去试探，直到英国人做出来以后，现在克隆才成为世界重要的研究方向。
要从自身的实际条件出发,做好课题方向的战略性选择。要扬长避短，着力发现学科的新生长点和突破点，集中力量，坚持不懈，才有收获。比如，我们的经费没有像国外多，就要像布拉格那样找经费需要比较少，但是有巨大前景的科研方向。在这方面，有经验的学科带头人会起到重要的作用。
8．要有创新的学术集体
最后，要在开放流动的环境下，建立能够不断创新的学术集体。要有追求真理、实事求是、崇尚道德的精神。科研人员来往要频繁，学术争论气氛要热烈。通过各种学术观点的激烈竞争，单个学科的深入开拓，不同学科的交叉融合，才能形成良好的科学生态环境，实现科学系统的协同进化，科学家个人也才能在这个环境中激发出创造力和新思维
(三)重大科学发现的社会和学术环境
1.哲学和科学方法论的作用
当前，科学前沿研究的对象多半是复杂的系统，很多对象具有无穷多自由度，过去常用的科学方法和思维方式都是对简单对象的，很可能是不够用的，必需进一步发展，才能处理复杂系统，
因此要加强对哲学特别是认识论的研讨，加强科学方法论、数学及计算方法的研究。观测仪器是发明新现象的先导，要重视新仪器和实验手段研制。
2.逆境促人奋进
许多人在还没有获得建树时，渴望得到社会的承认，得到社会稳定的职业和社会地位，有一股拼劲。但是一旦拿到永久职位和职称，就不再努力，缺少内在的动力去攀登科学的顶峰。逆境常能促使人奋发图强，条件过于优越，反而可能使人懈怠。现在还没有得到社会承认，没有进入重点课题和项目的科技工作者不要灰心，很可能将来出现重大创新的部分科学家是那些身在内地，没有得到国家重点资助的科学家。也希望那些得到国家重点资助的科学家要特别的努力，不然就对不起社会、对不起国家。
(四)青年如何才能成为科研的主力军
1．青年要成为科研的主力军
青年最有条件具备上面所说的素质和条件，因为他们包袱很少，敢想敢干，因而可能有创新活力。但是，青年要想有所发现，就必需刻苦学习和锻炼。科学研究没有捷径可走，要不断地尝试、失败、再尝试、再失败，经过千锤百炼，直到最后取得成功。只有从心理、身体、知识和能力准备好的青年，才能在一个关键的时刻抓住机遇，实现理想，作出重大科学发现的成果。
2．搞好老中青三结合
一个好的科研集体中，老、中、青科学家各有各的作用。他们互相支持，共同协作，才能形成思想活跃，干劲十足，经验得到继承，技术不断发展，科研方向始终处于前沿的集体。当前，在着力培养和选拔年轻科技干部的同时，要充分发挥中年科技工作者的骨干作用和老年科技工作者的指导作用。
3．发挥中年科技工作者的骨干作用
有造诣的中年科学家已经得到社会的承认，现在承担了很多重要科研项目的领导任务，是多数科研题目的负责人。在没有经过识别，也没有更好识别机制的情况下，社会应当将这些主要职责交给中年一代，而暂时还不应交给品质和能力尚未充分显现的青年。
4．老师的作用
很多时候，年青人作出的工作还不完善，需要有经验的科学家给以加工。如量子力学的完整理论，就是在海森堡的老师波恩带领下完成的。常常，年青人的才华要由有经验的科学家来识别，加以培养和鼓励，才能得到发挥的机会。一个成功的年青科学家身后，都有一些值得称道的老师。很多科学大师，如玻尔、波恩、布拉克、费米等，在他们生命的后期都带出了一大批杰出的青年科学家。
(五)由此得出的结论
在科学发现的过程中以弱胜强，后来居上是可能的。关键是要充分发挥科研单位和科学家个人的主观能动性，主动、自觉地克服各种各样的困难，寻求突破的新途径。要紧紧抓住人才、战略和学术环境三个环节。
1．人才
要着力选拔有战略眼光和管理能力的领导班子和学术带头人。特别要注意选拔青年科技人才进入领导班子和成为学术带头人。
要注重学科综合交叉，形成相关学科人才的临界数量和质量。
人才应从全国和全世界选拔，进行公开招聘，逐步打破目前由本单位人员中提拔教授和研究员的作法，实现完全的开放流动。
要在给科研重担和开放流动的环境下，加强对年青科学家的识别、培养、选拔和使用。
2．战略
根据科学前沿发展趋势和国情，在学科交叉的生长点上，扬长避短，以超越为目标，有选择地制订独特的发展战略。不能跟在别人后面以跟踪为目标，必需瞄准新生长点，探索新的研究方向和实现途径。
不要急于求成，拔苗助长或施加过大的行政压力。要强调科学研究集体内部的压力和动力。在加强竞争的同时，要保持相对宽松的学术氛围。
3．学术环境
建立创新思维得以萌发和实现的学术集体。集聚优势人才，展开学术争论，加强学科交叉和跨学科协作，提倡科研道德和优良学风。处理好竞争与协同、个人与集体、学术带头人与助理工作者、战略的严肃性和战术的灵活性、单科深入与多科交叉、学科发展与国家任务、规定项目和自由探索、老中青三结合、稳定和流动、理论和实验、科学和哲学、科学和技术、学术水平和市场价值等等关系。
二、结束语
二十一世纪初中国正处于经济起飞的前夕，处于实现国家现代化的关键时期，社会对科技已有强大的需要。这种需求，正如恩格斯所说，将比十所大学更有力地推动科学的发展。这是一个需要在中国大地上出现伟大科学家，也一定能出现伟大科学家的时代，是有使命感和责任心的中国青年科学家建功立业的大好时机。只要充分发挥我们的智慧和主观能动性，选好发展战略和领头人，团结协作，艰苦奋斗，做到以弱胜强，后来居上是完全可能的。让我们为此而共同努力。
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