作者:范良藻 来源:科学时报 发布时间:2009-9-17 8:55:33
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基础研究是创新的核心动力 兼评魏乐汉永磁体磁悬浮列车

 
基础研究是科技创新的核心动力
 
众所周知,有所发现、有所发明是科技创新的最高境界。温家宝总理说,基础研究是应用和开发的动力和源泉。科学家的天职是造福人类,科学家的功能全在发现问题和解决问题。没有基础研究这一认识自然、追寻事物本质的强大发动机,很难有所发现,有所发明。不做基础研究,应用和开发也难做好。会不会做基础研究,能不能把基础研究做好,是科学家有别于学者和专家的主要标志。
 
大学毕业生是否达标,不在成绩有多么好,要看毕业后是否已获得自学能力;培养研究生主要是培养做基础研究的能力。研究型大学如果不能源源不断地向社会输送会做基础研究的研究生,这个国家就很难拥有自己培养的第一流科学家队伍。
 
1952年,全国进行大规模的院系调整,人为地破坏了各大名校的优秀传统。在1957~1976年这样一个斯文扫地的年代,以反对“理论脱离实际”为名行取消基础研究和理论研究之实,这是多年来中国出不了大师级科学家的根本原因。它毁掉了中国科学研究的根本。1952年,苏联科学家在回答中国人提出的理论如何联系实际这一问题时说:“世界上既没有脱离实际的理论,也没有不需理论指导的实际。”改革开放后,做什么研究课题,都要各级领导审批,科学家基本上没有自主选题、自由探索的权利。中国的科学家整天为争取科研经费发愁,国家不养士,长官又急功近利,谁又能耐得住十年磨一剑的清苦和寂寞,又何来激情去致力于发现和发明呢?严格地讲,中国至今还缺乏能进行开创性基础研究的队伍,尤其是缺乏能打硬仗的实验基础研究的队伍。历史的经验告诉我们,对优秀传统的破坏,最伤一个国家的元气。直到邓小平说:“科技是第一生产力。”直到胡锦涛总书记说:“必须坚持自主创新的方针,牢牢掌握尖端技术发展的主动权。”情况才稍有所缓解,但是执行的前景仍不容乐观。
 
我国的科学研究大多是在做科学工程,国家下达任务,大家分工分头去做,把科学工程和科学研究分开,把分工变成了分家,忽视了当今科技的主流在综合,并给人一个错误的印象,似乎做科学工程不需要基础研究。这样做的结果是,做科学研究的一旦脱离应用背景,只好在文献的洪流和夹缝中做一些添枝加叶的工作。另一方面,这么多重大的科学工程,要想做好、做快,做的又省钱,又能在国际竞争中技压群芳,该有多少基础研究的攻关课题需要科学家去解决啊。如果科学家坐拥书城,既不破万卷书,又不行万里路,脱离国民经济急需和国防建设急需,把基础研究异化成写文章,说这就是基础研究,这样的“基础研究”怎能缓解国家的燃眉之急?
 
科学、技术、工艺三结合是科学转换为生产力的必要条件,可是在我国,崇尚理论、轻视技术、鄙薄工艺,是半封建半殖民地的遗风。改革开放三十年,这样的遗风依然故我、纹丝未动,这就是我国像王选这样的发明家如此之少的原因。王选是幸运的,但是榜样的力量并没有发挥应有作用。既然什么都可以引进,还去做什么高科技呢?既然“学而优则士”是中国知识分子最终的归宿,谁还愿意耕耘终生,去做什么发现和发明呢?
 
在一切都向钱看的社会文化氛围下,绝大多数中国发明家都陷入了巧妇难为无米之炊的绝境。没有像魏乐汉教授这样坚忍不拔的毅力,永磁体磁悬浮列车的发明很难坚持到底。
 
随着互联网技术的迅猛普及,一个科技平民化的时代已悄然出现,好的文章也不怕学报拒登,可以登录在一些预印版网站上立此存照。这势必使少数人对科技资源的垄断越来越困难。
 
对比西方国家发展科技的历史,我们不禁要问:
 
为什么中国没有自己的列别捷夫实验室、卡文迪许实验室和MIT林肯实验室?在这些实验室,创始人走了,传统依然在,代代相传。
 
为什么中国没有像IBM帕金发明巨磁阻硬盘、年创百亿美元的人物?
 
为什么中国没有普林斯顿大学高等研究院自由选题、自由探索,出十几位诺贝尔奖得主的场所?
 
为什么在中国大企业少见科学家式的工程师和工程师式的科学家?
 
为什么在中国不能一人头上只有一个主管,而是一个媳妇有那么多婆婆在指手画脚,无处不在的人事矛盾使科技干部耗费掉那么多的精力。
 
随着改革开放的不断深化,人们越来越明白:引进流水线不如引进技术,引进技术不如引进人才,引进人才不如引进制度。其实不是中国科学家和技术专家无能,而是我们大学教育和研究院所的科技体制阻碍了我们有所发现、有所发明的通途。不进一步改革落后的科技体制,我们就还将继续落后。
 
一次有历史意义的会议
 
2009年6月7日至9日,在上海田林社区老科学家沙龙召开了第一次“非共识研究重大创新研讨会”。与会者大多是著名科研机构和大学的退休教授。人老了,体力衰退了,记忆和联想能力都不如年轻人了,他们为什么不在家颐养天年,而是要聚在一起讨论“令人侧目”的非共识研究呢?答案仁者见仁,智者见智。重要的是,此次会议开风气之先,第一次扯起非共识研究的旗帜,算得上一次创新之举。
 
其实,细审诺贝尔奖的百年历史,就是一部非共识研究的历史。相对论也好,量子论也好,一开始得不到公认,都是非共识研究,就连光电效应也等到14年后才被学界公认,由非共识走向共识。所以,鼓励非共识研究,是一个国家科技突破的重要前提。
 
事实上,也就是在此次会议上,我们知道了魏乐汉,了解了他的永磁体磁悬浮列车的发明过程,并从中再次温习了发明创新的基本特征和一般规律。
 
从个别中看到一般,从暂时中看到永久,能使人们竖起这样一种信念:发明不是天才的产物,发明是有规可循的。
 
古老磁学如何焕发革命青春
 
一公斤钕铁硼永磁铁可以将一块600公斤重量的铁块吸引起,吊在空中而不落;换言之,一公斤的钕铁硼有使600公斤重物克服地心引力的潜力。根据传统观念,两块钕铁硼永磁铁同性相斥、异性相吸的原理,可以将重物悬浮起来。此时的磁力线呈弯曲状,互不相向。可是如何保持磁悬浮间隙h恒值不变,以免使列车在X(上下方向)方向运动时不上下颠簸呢?这是用永磁体做磁悬浮的一大难题。人们不可能制造千百万块悬浮能力完全一致的永磁体,这就宣告,仅仅依据同性相斥、异性相吸的原理,不可能研制成永磁悬浮列车。
 
魏乐汉抛弃上述传统思路,利用磁力线有纵向抗拉伸和横向抗压缩的性能,来大大增加永磁体的悬浮力,从而打破科学家认为永磁体不可能提供足够悬浮力的传统见解,采用永磁体的新型排列,使其浮力比任何现有的磁悬浮列车的浮力大3倍以上,载重能力超过轮轨列车(每米车长3.5吨)。这样的永磁铁排列方式具有保持车厢离地面距离h恒值的自动恢复功能,保持列车平衡运行,抑制上下震动。
 
将两块相吸的永磁铁拉开,手一松又吸在一起,说明磁力线有纵向抗拉伸的性能。将两块相吸的永磁铁侧向错开,手一松也恢复原状,说明磁力线有横向抗压缩性能。总之,一旦磁力线的平行状态被破坏,车厢底板不论是向上或向下移动,都会使平行的磁力线弯曲,然而磁力线本身都有恢复平行状态的功能。这种磁力线抗弯曲的性质,可以理解为磁力线本身固有的力学性质。这种对磁力线崭新的理解,是过去没有人想到并利用来提高永磁体的悬浮能力的,从而导致了一个新发明的问世。
 
同样一个原理,各人却有不同的理解,从而导出完全不同的发明。什么是发明?对科学原理不拘一格地应用是发明创造的一个规律。
 
魏乐汉发明的磁悬浮列车有两大创新点:
 
1.特大浮力的零能耗的永磁悬浮系统。
 
2.简单、高效的磁性推进系统。
 
MAS制(Magnetic Array Suspention)磁浮列车采用永磁体悬浮,因而实现了零能耗悬浮。此前国内外尚无能实用的永磁磁浮列车。究其原因,是科学家们认为永磁体不可能提供足够的悬浮力。而本发明不但解决了这个问题,而且其浮力比任何已有的磁浮列车的浮力大3倍以上。
 
MAS制磁浮列车利用磁性啮轮实现不接触传动。
 
MAS制磁浮车车用导向轮在侧壁上滚动来实现导向。导向轮在转动时,磁啮条上的磁力线不断在弯曲,磁力线抗弯曲的恢复力就驱动了磁啮轮的Z(向前运动)方向运动。由于导向轮不承受列车重量,故能耗很低。这主要决定高速运行时的气动阻力。
 
MAS制磁浮列车具有以下优点:
 
1.节能。MAS制磁浮列车实现了零能耗悬浮,所以与其他磁浮列车不同,其悬浮不耗能。磁性推进效率高,导向耗能少。因此,这是最节能的交通工具。
 
2.浮力大。因此承载能力大。其每米车长的承载能力大于4吨。
 
3.悬浮双向稳定,能自动抑制列车上下震动;省略了悬浮控制系统。提高了可靠性。
 
4.列车自重轻,负载自重比高,加速性能好。
 
5.普适性强。既可高速,也可低速;既可客运,也可货运;既可做城际交通,也可做市内交通。
 
6.造价低。每千米轨道造价约8000万元人民币。
 
7.列车结构简单,故障率低。
 
8.环保。噪音低,无电磁污染,等等。
 
MAS制磁浮列车已研发三代。其中第三代MAS3列车长3.75米,高2.1米,宽1.5米,可乘坐6人。其承载能力达10吨。用一盒电动自行车的电池即可在轨道上来回行驶,体现了这种磁浮列车的节能和易实施性。第四代能坐21人的单节车厢即将建设成功。
 
经多年研究,扫除了MAS制磁浮列车在通向实用化的道路上、原理上、技术上和工程上的障碍。
 
发明之道
 
1.有时有所发现导致有所发明,有时有所发明导致有所发现,有时知其所以然在先,有时知其然在先。大多数发明是利用科学上已知的原理知识和方法,集成起来进行再创造。笔者曾说:“基础研究是应用研究的分解,应用研究是基础研究的综合。”发明不是天才的随意创造。音乐家用心灵去组合七个音符、多个音阶,可以创造无数美妙动听的音乐。自然科学原理中可用的元素何止七个,用心灵去体会社会需求,用科学的理性去判断,用激情来满足这种需求,可以实现多少发明创造。
 
2.人生不如意事常有八九,工作再顺心总有难处,人的特长何在,是天生的,人的能力是苦练出来的,人贵有自知之明,不要去做与自己特长不相配的工作。想做发明家首先要搜索目标,目标选定了,还要作调查研究,向别人请教,集思广益,在发明未做之前就保密,这是最愚蠢的,可能要走前人已经走过的弯路,这样成功的希望不会大。一定要清楚自己的兴趣何在,潜力何在。有些农民发明家和工人发明家,还有古代的能工巧匠,他们不懂弹性力学,桥造得很好,宫殿造得也好。搞发明一是要和理论家多切磋,二是要和能工巧匠多请教,众人拾柴火焰高,一个发明成就了,其背后总是还有许多无名英雄。题目一旦定下来就得破釜沉舟去干,边干边学,比学了再干要有效得多,书本的知识不会直接告诉你答案何在,如何解决全靠自己。魏乐汉发明磁悬浮,再过一年,就是八年“抗战”了。坚持到底,皇天不负苦心人。
 
3.要放宽心胸,做累了,做困了,可以暂时停一停,或休息,或先干点别的,以免钻牛角尖。俄国大科学家列别捷夫说过,一个好的科学家,1/3的时间在实验室干活,1/3的时间去思考。一项发明牵涉到好几个学科领域,有了难处,关键在于找出哪一个领域是拦路虎。所谓学问,一是学,二是问,问比学更重要。
 
4.人们常说,科学的上面是哲学,哲学的上面是信仰。选题全听老师的,风险虽不大,但是选题正确,等于成功了一半。有时应当学会放弃,西南联大杨振宁的一位同学选湍流做研究生课题。70年过去了,湍流这门学问仍然没有突破性进展,选这样的课题等于误入歧途。
 
5.讲信仰不如说是讲信念。科学家要相信,问题是否有解不在你的脑中,大自然早有定论,不妨排除一切杂念,进入独处的灵空世界,想方设法用冥想和大自然对话,大自然会以各种方式给你暗示。所谓冥想就是什么都不去想,把所有的思维腾空,关注一点,和大自然中的固有信息进行交流。科学家在梦中惊醒,找到了解决问题的钥匙,是经常听说的。
 
6.有人问为什么魏乐汉到了晚年退休后,才有此重大发明?笔者与魏乐汉一个共同的体会是,只有等到解甲归田后,再没有人来管头管脑,才能想干什么就干什么。魏乐汉2000元人民币起家,八年“抗战”,已设计制造出第三代磁悬浮列车,作出退休前作不出来的贡献。可见,“探索的自由”是何等重要。此时,耳旁仿佛响起裴多菲的著名诗句:
 
“生命诚可贵,爱情价更高。若为自由故,两者皆可抛。”
 
可见,要想科技创新,不做基础研究不行;要把基础研究做好,没有探索的自由不行。要让科学家像鸟儿一样在天空中自由飞翔。
 
《科学时报》 (2009-9-17 A3 国际 综合)
 
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