从诺贝尔奖谈创新思维第一部分

1、从诺贝尔奖从诺贝尔奖 谈创新思维谈创新思维清华大学清华大学2016.9 1909年，哈年，哈伯伯(F. Haber)在在 600，20MP下合成氨下合成氨， 1918年获诺贝尔年获诺贝尔奖奖 1913年，博年，博施施(C. Bosch)合合成氨商业化成氨商业化， 1931年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖 2007年，埃特年，埃特尔尔(G. Ertl)阐阐明合成氨相关表面催化反应机明合成氨相关表面催化反应机理理 2007获诺贝尔获诺贝尔奖奖人口增长了多少倍？人口增长了多少倍？粮食增长多少倍？粮食增长多少倍？2020亿吨亿吨5 5亿吨亿吨2020亿亿7070亿亿多马科多马科(G.Domagk)发现抗菌药磺

2、胺，开创发现抗菌药磺胺，开创合成药物时代，获合成药物时代，获1939年诺贝尔奖年诺贝尔奖弗莱明弗莱明(A.Fleming)发现青霉素可灭葡萄球发现青霉素可灭葡萄球菌菌(1929年年); 弗莱里弗莱里(H.W. Florry)、钱恩、钱恩(E.E.Chai)提取出青霉素获提取出青霉素获1946年诺贝尔奖年诺贝尔奖鲍林鲍林(C.Pauling)发现纤维状蛋白质螺旋结构发现纤维状蛋白质螺旋结构和化学键理论，获和化学键理论，获1954年诺贝尔奖年诺贝尔奖克里克克里克(F.Crick)沃森沃森(J.D.Watson)威尔金斯威尔金斯(M.Wilkins)提出提出DNA双螺旋结构，获双螺旋结构，获1962

3、年诺贝尔奖年诺贝尔奖野依良治野依良治(R.Noyori)发现手性催化剂，获发现手性催化剂，获2001年诺贝尔奖。发展新的手性药物疗效增年诺贝尔奖。发展新的手性药物疗效增加几倍至几十倍。加几倍至几十倍。2000年药物年药物1/3是手性药是手性药物，售价为物，售价为230亿美元亿美元开辟了分子生物学领域和生物制造产业的无限前景 施陶丁格施陶丁格(H.Slaudinger)、齐格勒、齐格勒(K.Ziegler)、纳塔、纳塔 (G. Natta) 建立终合催化体系理论和配位聚合催化剂，建立终合催化体系理论和配位聚合催化剂，1963年获诺贝尔奖，成就了石油化工中规整性高聚物年获诺贝尔奖，成就了石油化工中

4、规整性高聚物(如聚乙如聚乙烯、聚丙烯、顺式聚丁二烯烯、聚丙烯、顺式聚丁二烯)形成千万吨级产业形成千万吨级产业橡胶60%由人工合成， 8万吨年产量的合成橡胶相当于145万亩橡胶园科研创新能力是未来国际竞争主要体现p经济实力、国防实力、民族凝聚力、综合国力的竞争，最终决定于： 科技水平、人才素质，创新能力的竞争p科技进步是社会发展的内生要素，技术转移会遇到多种扼制。p30年来经济高速发展，粗放型模式已经走到尽头p科学发展观在于科技拉动经济国家创新指数报告2014l全球有RD支出的国家112个，2007年共为10725亿美元。l其中40个国家的支出占98%l按创新资源企业创新 知识创造创新绩效 创新

5、环境五方面来考查，中国所分别的名次附上l中国国家综合创新能力总排名第十九位l前五位排名：美国、日本、瑞士、韩国、以色列p全国竞争力报告2014-2015（世界经济论坛）144个经济体居28位。p 世界竞争力年度报告2015（洛桑国际管理学院），61个经济体中居22位p全球创新指数2014（世界产权组织）143个经济体中居29位。p中国2007年科学论文数目世界第二位。p2007年论文及引用数排世界第三位，2007年专利数量世界排名第六位。p第一次工业革命：蒸汽机的发明与产业化p第二次工业革命：电力运用p第三次工业革命：信息技术新能源（核、光伏）技术结合推动导致产业集群，个性化技术，分布式技术，

6、绿色技术。 杰里米里夫金第三次工业革命 （Jeremy Rifkin）2012年第三次产业革命 可再生能源 资源的循环利用 全生命周期清洁3D打印BottomUP个性制造并行计算分布式计算网格计算计算能力作为商品流通绿色制造云计算时间、空间变换（从集中到分布）定位格局重组（分布式能源资源优化利用）扁平化分布系统增材制造一流技术是模仿不来的 技术产权保护，产品更新速度快，贸易和环保壁垒，没有给学习者留下空间和时间。l我国是DVD世界第一生产大国，每台DVD要向3C联盟、6C联盟交纳专利费，分别为9美元和6美元，国内每台利润要少于5美元。l只有依靠自主创新，才是唯一科学发展模式。资源、生存空间竞争

7、资源、生存空间竞争市场竞争市场竞争科技竞争科技竞争文化竞争文化竞争创新不一定要昂贵的设备发现石墨烯（2010年诺贝尔奖）p安海姆，康诺沃肖洛夫，2004年曼彻斯特大学教授。p用胶带从石墨上粘剥出薄片，再用胶带反复粘贴，剥离2030层。p 在氮化硅基板上，用原子力显微镜观察看到，单层石墨薄片的完美六边形单层网格。厚度300万分之一毫米。创新不一定要昂贵的设备发现石墨烯（2010年诺贝尔奖）p它柔软却比钻石更坚硬，超导电又如玻璃透明。可用作触摸屏，超强、超轻复合材料。p它是P.R.Wallace 1940s 理论上预言过的二维晶体材料。p实验物理学不一定必须复杂设备，但要有创新思维。石墨烯创造能力

8、与年龄无关获奖时间姓 名获奖时年龄或发表论文时年龄研究方向1915年Lawreuce Bragg 1890197125岁X射线晶体结构分析1929年R. D. Broglie(1892-1987)1924博士论文32岁电 子波动性1961年R. L. Mossbawer1929）1955研究生论文26岁,1958年获博士学位穆斯堡尔效应1972年J. R. Schrieffer1931）1957年作研究生时发表论文26岁超导理论1973年B.D. Josephson(1940)1962年剑桥研究生时论文22岁约瑟夫效应创新特征p自然科学创新 p工程科学创新p艺术创新 寻找个性释放、流派探求新发

9、现原有发现相互包容，并行不悖，分别界定经典力学、宇称守恒属于宏观世界量子力学、宇称不守恒.属于微观世界新发明原有技术破坏性、替代性的结果电话电子邮件电报驿站媚俗华丽排场高雅恬淡 淳朴矫情奇特 怪异病态金鱼、猩猩派画家毁灭性工程创新p照相胶片风靡一时，柯达、富士、乐凯主宰全球影像。甚至帮助了抽象派画家崛起，写实派画家受到置疑。p数码成像技术兴起柯达2005认为投一美元在胶片可产生70美元利润，投入数码影像仅5美分，而从2000年利润143亿美元，快速减至2003年利润41.8亿美元富士1997年起在苏州生产数码相机2002年数字化产品占60%。p2000年光学胶卷产量达到顶峰，富士企业利润为15

10、00亿日元，到2011年利润为零。p2013年富士转型成功，发展液晶、制药产业。利润恢复到1450日元。p柯达曾经占有数码相机专利1000项，希望通过专利保护，封存、垄断数码相机。p2012年1月柯达申请破产。工程教育要培养p创新思维，想象力和思辨力p抓住精髓，不纠缠枝节的能力p恰到好处的精度，朴素原理p科学双刃剑特性，最终体现于工程要有道德修养p经济学视角，在优化资源配置最低资源、能源、环境代价下追求最大经济效率与效益。科罗廖夫俄 N-1火箭 1000万磅推力，32个喷咀(冯布朗美土星五号登月火箭150万磅推力，4-6喷咀)认知过程和思维方式的三次变革p 亚里士多德的演绎法：从形式逻辑“三段

11、论法”演绎，给知识以普遍的理论基础。 如：大前提（金属导电）、小前提（铁是金属）、结论（铁能导电）p 培根的归纳法：科学研究从观察和实践出发逐级登攀，从特殊事例上升到较低公理，多级归纳，最后上升至普遍公理。p 爱因斯坦的直觉法：“从特殊到一般，是直觉性的；从一般到特殊是逻辑性的”。“单纯推演发现不了重大科学原理。p 演绎、归纳、直觉的综合运用，实现原创性科学发现。p直觉悟性是一种非理性逻辑思辨，非归纳方式，从瞬间感悟到领悟“跳跃”到事物未知部分的那种能力。p高斯19岁完成了两千年前的难题，用规、尺作面，成正17边形。为纪念他这一成果，他让人把正17边形刻在他的墓碑上。 9岁时用1+100=10

12、1 2+99=101 . . . 算出1+2+3+100=5050 可能都源于直觉悟性 黑格尔的辩证法思维： 1.一切皆流，一切皆变。 2.从量变到质变。 3.一分为二，合二为一。 4.否定的否定。 佛家、道家的思维： 1.中道法。道常无为，而无不为。 2.遮诠法。不战不和、不统不独、不亲不疏。 薛丁格猫的思维。 3.缘起论。一切随缘，缘就是机遇。 量子力学对概率的应用。 认知和思维模式还有创造力（Creativity）的定义l创造的能力是艺术的、智力的发明才能l创造力是根据一定目的、任务，在脑中创造出新技术、新产品形象，并使之实现的过程。l心理学家雷夫达尔：“创造力是人产生任何一种形式的思维

13、结果的能力，这些结果是新颖的，是产生它们的人事先所未能预料的。”创造的P4要素l创作者（Person）较着重创作者的人格特质。l创造历程（Process）着重创作者的心理历程。l创造产品（Product）着重创作者的作品。l创造环境推动（Press）着重个人与环境的交互作用。创造者（Person）的人格特质l创造力人人皆有，“创造性”行为却并非人人都具备。l创造力须有充实得知识与经验背景，但知识不等同于创造。l创造需要天才，但智力最高不等于有创造力。l善于创造的人之人格素质：想象力、联想力、观察力、思辨力、好奇心、变通力。l保罗图赫性格的力量：专注力、自控力、好奇心、 责任心、 勇气与自信。一

14、般“天才”、“高能力”通常表现为l数学（定量的）的分析能力l空间判断想象能力l逻辑的分析和语言能力等的基础素质。而非指创造能力。创造能力也许不是“天才”都自然而然具备的。创造行为特征 创造发明不等同于高知识，高智力，是多因素的综合，可能发端于微末之处。最简单的可能是最好的。l光学玻璃透镜制造专利 第一次世界大战，潜艇技术的推动，俄国要求向英国购买透镜玻璃制造中关键专利。经过盟国政府间交涉，耗费了重金，购得专利说明书仅一句话：“在反应过程中不停地搅拌，气泡即可除尽。” 某杂志杜撰的笑话：美国航天局用十年的时间，数十亿美元开发了一种在无重力条件下不漏水的记录用笔，以后发现俄国一直用的是铅笔。想象力

15、（Imagination）l“想象比知识更重要。” 爱因斯坦l臆测性想象：指未曾实际经历，根据片断资料，推断而创造构想。l创造性想象：根据确定目标，“无”中生“有”。l构造性想象：根据多要素如用途、机能、效率、精密程度综合而成。l替代性想象：欲改良已有事物地不合理，不方便之处。想象力想象力（Imagination） 臆测性想象DL360L臆测性想象：全新臆推地球直径的测算：公元前三世纪，亚历山大图书馆长埃拉托色尼，利用在阿斯旺小镇日光直射地面的同一时间，测亚历山大市阳光倾角，计算出地球直径R6378千米 7 L779千米 想象力创造性想象创造性想象：“无”中生“有”如可降解塑料的制造l采用在普

16、通塑料（PP.PE）成型时，大量加入淀粉、木屑等，使生成可解体材料，废弃后即分解成小块。l采用发酵法，生产乳酸，再用化学法聚合为乳酸塑料l采用在细胞内合成聚羟基丁酸酯（PHB）塑料，用于人造器官。（以单细胞作反应器）想象力构造性想象构造性想象：构造型综合创新l复合材料的制造：金属纤维玻璃纤维碳纤维纳米碳管 子午轮胎 隐形材料 导电布有机合成材料塑料橡胶l高强度l需再成形l不生锈l有弹性、塑性、易加工想象力是种抽象思维能力理论物理的弦论：l基本粒子（电子、光子、中微子、夸克等）的作用力都是极小的弦的不同振动激发态。l弦需在十维度中振动，除了三维空间、一维时间外，另外六维隐于极小的“致密空间”尚不

17、能被感知。l由卡拉比-丘（成桐）通过几何学给予了证明。忆阻器（Memristor)的想象p1971年加州伯克利分校蔡少棠教授推断， 在电阻、电容、电感器之外，应有另种组件反应电荷与磁通量之间关系。只在数学模型上它应存在。这一超前想象沉寂了37年。p2008年惠普（HP）忆阻器作为内存时，潜在容量惊人，而且它是有记忆功能的非线性电阻器（S. Williams）忆阻器（Memristor)的想象p掺杂部分带正电，电阻较小。p电流从掺杂一侧流入时，在电场影响下，空穴向非掺杂部分游移。p使整体电阻下降。p停止电流，空穴保持不动，体现了记忆功能。p反向电流会把空穴推回，电阻增加。+-+-TiO2TiO2

18、掺杂氧原子空穴忆阻器（Memristor)的想象p2010年惠普认为“理论上可以通过忆阻器完全代替现有数字逻辑电路。p经典冯.诺依曼理论认为“计算机体系结构决定了它不可能像大脑方式工作，即 “存储”和“处理”同时同地进行”。p2010年密歇根大学首先创出模拟大脑“突触”工作的忆阻器。 惠普构建二维交叉阵列忆阻器，模拟大脑的一个层面。p模拟大脑，不用“1”和“0”，而代之以像明暗不同的灰色中所有状态，可以作决策、判断、学习、脸部识别等，比数字式计算机更快几千倍到几百万倍。p 电子管晶体管忆阻器联想力（Association）l联想行为是自某种记忆、印象而引发的另一种观念或心像的产生，包括：类似联

19、想：指对分类上近似之事物的联想延伸联想：指功能、特性、时空延伸联想，创造发明逆反联想：亦称对立联想，反向思维因果联想：由因果关系引发联想l哥德巴赫(Gold-bach. 1690-1764)猜想：大于5的奇数都可拆解为三个素数和： 7 = 3+3+1 77 = 53+17+7 461 = 449+7+5l欧拉(Euler Leonard, 1707-1783)联想：大于4的偶数都可分解为2个素数之和： 6 = 1+5 8 = 3+5两个想象构成“哥德巴赫”猜想，需证明Z = x+1联想力类似联想l 类似联想：仿生学l 膜分离技术：动物消化系统，营养通过肠壁吸收与残渣分离，呼吸 系统肺胞吸收O2

20、而与N2分开，排泄系统肾脏分离尿液。液液膜分离，用于海水淡化分离膜。气气膜分离，用于H2与CO2分离气液膜分离，通过渗透气化，从有机溶剂（苯、氯甲烷）中分离微量水l 南美“气步甲虫”对发明二元化学武器的启示 ，H2O2及时混合，成为毒气。OHOH联想力延伸联想 延伸联想：功能延伸 场致伸缩材料（压电陶瓷）：在陶瓷受压变形时，产生电流，或相反，通过电流时，会发生变形。 延伸到电动机构造，在陶瓷杆内设置一组类似电极。 在顺时分别向电极通电流时，陶瓷杆顺时针连续变形 形成扭矩力，而造成微型电动机p3D打印：建模、编程、相应材料按计算机预编程序复制出来。p4D打印：直接将程序输入材料，打印出来的材料自

21、主变形、重塑，不需任何机电设备，即自组装材料的3D打印。斯 蒂比茨 美国“神经系统”（Nervous System）设计工作室利用3D打印技术制成世界上首件4D打印连衣裙。 所谓4D打印，就是在3D打印的基础上增加时间纬度，核心是记忆合金，一种能够自动变形的材料，人们通过软件设定模型和时间，变形材料在设定时间内变形成所需的形状。 “神经系统”说，这件4D连衣裙通过3316个连接点把2279个打印块连在一起，堪称为模特量身定制。整件裙子耗费1900英镑（约合1.85万元人民币）、用时48小时制成。 “神经系统”创意主管杰茜卡罗森克兰茨说，4D打印或许将成为未来时装发展方向。联想力逆反联想逆反联想：隧道二极管的发明l日本新力公司由江崎博士主持开发新一代晶体管，以提高锗元素的纯度为目标，已达到99.99999999，再提纯困难太大，成功无望。l新毕业生黑田由里子，提