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科研感悟

从能源战略到思维改变

 日期:2013-10-09 作者:郭爱克;钱旭红;翁史烈 来源:文汇报
  • 图片说明:郭爱克(中科院院士、中科院上海神经科学研究所研究员)


  • 图片说明:钱旭红(中国工程院院士、华东理工大学校长)


  • 图片说明:翁史烈(中国工程院院士、上海交通大学教授)


  • 市科协学术年会特邀报告—— 从能源战略到思维改变

      习近平总书记在最近一次中央政治局学习会上强调,要敏锐把握世界科技创新发展趋势,抓住新一轮科技革命和产业变革趋势,切实把创新驱动发展战略实施好。在前不久召开的上海市科协第十一届学术年会开幕式上,翁史烈、郭爱克、钱旭红三位院士分别从能源发展战略、脑科学研究和改变思维等角度,从不同侧面回应了科技界和全社会关心的创新热点话题。本刊特选摘其中精华,以飨读者。

      ——编者

      

    中国能源现状和发展

      □翁史烈

      

    四个能源替代方向

      我们国家能源的实际情况是一次能源的人均占有率很低,就以煤这个一次能源来讲,虽说我们是煤炭大国,但我们的人均拥有量连世界上的平均水平都不到。如果世界水平是100的话,我们仅是80。尽管如此,我们能源消费以煤为主的结构,短期难以改变。我们曾经花了很大力气,前些年控制在66%,但是后来几年又反弹。以煤为主的能源结构决定了巨大的环保、生态环境压力,特别是哥本哈根会议以后。

      考虑中国能源下一步怎么走,首先要看得远一点。2050年以后大概有四个能源替代方向应纳入我们视野。

      一个是核裂变,预计到2050年左右,我国参与的国际上第一座商用核聚变电站可以示范性应用,如果这个突破的话,它的燃料就不是铀了,而是氘和氦3,这个资源非常丰富,大概用几千年、几万年没有问题,这是国际社会正在努力的方向,但困难很大。第二个天然气水合物,即所谓的可燃冰,这种物质分布很广,前景很好,但是开采的难度很大。第三个是空间太阳能发电,即空间获得的电能,通过微波或激光等多种方式传到地面。最后一个是氢能,氢能在未来的能源构成中会占一个主要的地位,但是需要进一步解决制氢、储氢等问题。上述任一方面的突破,都会使能源战略发生根本变化。以上几个能源替代方向我们现在开始就应该非常重视,特别是基础和应用基础研究,要抓紧不放。

      最近30年,我认为我们能源需要应对的主要课题,一个是煤炭的清洁化和高效利用,必须要踏踏实实的做,不管你喜欢不喜欢煤,很多有价值的东西都是从煤里面提炼出来的。其次是能源结构多样化,在多样化过程中,可再生能源要逐步从辅助走向主流。第三,要提高能源系统的总效率,包括一次能源的采集、转化,一直到终端利用,我国能源系统的总效率很低:现在我们一次能源的采集效率是30%~40%,一次能源转化成热能、机械能的效率约为40%,此外还要考虑终端利用的效率,因此总效率仅在10%左右,也就是说90%都浪费掉了。由此来看,我们能源系统总效率提升的空间非常大,必须要花更大的力气。第四不仅仅要节流,还要开源,要积极开展能源外交,重视非常规油气开采,实施能源总量控制等。

      

    能源领域两大热点

      目前国际能源领域有两个热点,一个是非常规油气开发,一个是燃气轮机。

      什么叫非常规油气资源,就是不能用常规的办法进行勘探、开采的油气资源,主要是四种:致密油气、煤层气、油砂和页岩气,现在最热的是页岩气,之所以热是因为美国页岩气技术成功开发,而且大规模的应用,这样大幅度增加了美国本土天然气的供应。这是一种非常大的变化,常称之为“美国页岩气革命”。在这样的格局下,我们必须要考虑,我们国家怎么办,这是一个非常现实的问题。

      美国能源信息署据英国石油公司等诸多国际知名企业提供的数据,绘制了全球页岩气盆地及储量最多的11个国家的分布图,以储量来看,排在前几位的分别是中国、美国、阿根廷、墨西哥。

      那么接下来,中国能不能复制美国的页岩气革命,很多专家都发表了意见,归纳起来大概是两种意见,一种认为美国的页岩气革命在中国没有办法复制,因为两个国家地下的情况跟地上的情况都不一样。有专家进一步分析,页岩气开发最关键的是打水平线,然后通过水压力阀把高压水打进去,把页岩压碎,压碎以后油和气才会出来。这种作业方法在中国不适合,因为我们西部缺水,不可能有那么多的水资源给你利用。即使在水资源充分的东部地区,作业过程中也会导致污染地下水的问题,这个问题美国也在检讨。国内还有一派意见,认为尽管有困难,我们还得上。

      我个人的观点,我国页岩气发展面临的挑战是比较严峻的,一个是勘探的程度低,资源可采出储量数据是否可靠,要由时间来证明。第二个我们的风险、技术难度大,美国的技术我们不能照搬。第三环境压力大,无论是否有足够的水资源可供利用,还是对地下水的污染,都值得深入研究。

      能源领域的第二个热点是燃气轮机。有一种说法,如果说装备制造作为一个皇冠,燃气轮机就是“皇冠上的明珠”。为什么?因为燃气轮机是高科技的集成,而且经济社会发展、海陆空都需要。燃气轮机跟蒸汽轮机联合使用叫“燃气-蒸汽联合循环”,这是所有热力发电机组中效率最高的,可以达到60%甚至更高,这样一个技术对我们能源安全举足轻重,所以国家已把燃气轮机列入重大专项。

      美国已在研制下一代热能转化装置,该计划要求采用最前沿的技术,在以煤为燃料的条件下,做到高效率和零排放,应该说,这是一个非常吸引人的目标,特别对中国这样的产煤和用煤大国而言,核心部分还是燃气轮机。估计到2020年的时候,燃气轮机内涡轮叶片要能承受住1700℃左右的高温,在这样的温度下要能高速旋转做功,这对材料、工艺的要求都是十分严峻的挑战。最近十年通过市场换技术等方式和跨国公司合作,国内现在在加工水平、制造技术等方面都大大跨进了一步,但教训是:市场化换不来关键技术。所以燃气轮机的自主研发是必然的选择,对上海来讲这是非常好的时机。

      

    上海理应为燃气轮机发展作贡献

      前些年我们燃气轮机搞不上去有体制机制上的,也有技术和人才方面的问题。体制创新是燃气轮机国产化的重要保证。我们通过体制改革要形成责任主体,建立举国体制,它能够举全国之力,坚定、高效、科学地保证国家意志的实现,又能为燃气轮机的市场改革奠定基础;新体制要有很强的管理能力善于把复杂的问题作科学的分解,化整为零,逐一突破;同时又善于把分散的成果综合集成,形成一个整体的辉煌;此外,新体制要有人才高地的支撑,资金保障和国际合作的能力。技术创新是燃气轮机国产化的关键,我们将会面对高温部件材料工艺以及整机、部件的设计、试验技术等方面的严峻挑战。上海有发展燃气轮机很好条件,首先上海电气集团是国家三大动力基地之一;其次,上海有燃气轮机产业的上游和下游完备的产业链;再次,上海有产学研综合的人才高地。我衷心希望上海能为我们国家未来燃气轮机发展做出应有的贡献。

      

    创新源于改变思维

      □钱旭红

      什么是思维?我们通常讲的思考,是Think;思维Thinking,是指思考的过程和方法;而思想Thought,是指思维的结果和论断。中华民族具有极高的智商,智商哪儿来的?肯定和人的大脑有关,来自人的思维和精神。

      智商高、并曾数度文明领先的中华民族,在历史上至少有3次失速(反映在我们GDP增长的放缓上)。这也告诉大家,物质丰富代替不了人格的升华,而精神萎靡和思维的禁锢必将带来日后的饥荒。

      

    有多少人熟悉量子思维

      郭爱克院士谈到大脑的抉择机制让我们很受启发,很多事情可以用大脑来解释,但是还有一部分很难解释,比如冥想和打坐。科学已经无数次证明其可以明显改变一个人的自我控制能力,对成绩、幸福的感受也发生很大变化,这个用现有的脑科学很难解释,是不是可以用量子力学解释呢?

      近代与现代思维和文明的分水岭,来自量子思维与经典牛顿思维的差异。前者强调互变、测不准、差异、灵活、离域等特点,自1900年问世,带来了今天的许多现代文明,如信息技术等;而后者强调机械、精确、定域、因果、被动、计划等特点。前者是对后者的重大革命或者冲击,而我们古人的禅修思维则与前者具有一定的相近性。然而今天,我们究竟有多少人熟悉量子思维?

      古希腊与古中国思维的差异,可从学科专业的人为分类上体现出来,这两种路线,在中西的表现和影响延续至今。大英百科全书之类的学术典籍问世的时间远远迟于我国明朝永乐大典等文献,可见历史上我们曾经领先。我们古代学科按照关联整体而划分,谈植物学能够谈到地理学,由地理学谈到哲学和天文学,结果纠缠在一起;源自古希腊的西方学科划分是分解-合成,所以不断的细化分解与交叉融合成为发展趋势。西方学科分类得以生存并延续到今天的原因是其依据逻辑原理衍生。而我们的学科就停滞在当时的状态,没有进一步往前走。美国物理学会首任会长十九世纪曾说,中国人知道火药的应用已若干世纪,如果探索其原理,就会发展出化学、甚至物理学,但是因为只满足于此,这个所有民族中最古老、人口最多的民族被认为是野蛮人。

      中国人相信天人合一、万物相连,这是我们的思维方式决定的,可能正是这种思维方式,使得我们有一种集群、统合的观念,这种合成观在古代中医理论和实践中有充分的体现,从而显示出与现代(西方)医学的差异性。而有无符合自然规律的形式逻辑原理,则决定了中医和现代(西方)医学两者不同的命运。

      逻辑原理在学科专业成长过程中,具有极端重要性,美国创造的化学工程学能给出启示。欧洲曾是化学的发祥地,很多化学方面的奠基性著述均来自欧洲,而当时美国在这方面非常落后,但是美国人知其落后而另辟蹊径,着重在工艺和操作层面上有所开拓,他们把过滤、蒸馏,这么一些简单的操作发展成三传一反原理,最后形成化学工程学,并直接指导工业,最终美国化工与制药能力超越了以前的老师欧洲,并带动化学超过欧洲。由此可见,学科专业的划分没有天经地义,关键是有否逻辑原理。

      

    东西方思维为何存在重大差异

      知识与学科演化可以解释东西方思维何以会有重大的差异,东方是转化,西方是分合,我们的思维方式里面认为一件东西可以解决所有的问题,比如说万能钥匙,我们拿一把刀可以当成裁纸刀、水果刀、切奶酪刀,这是我们的思维方式。西方是尽可能把所有的分解开来并加和在一起,就像瑞士军刀,这个是开瓶的,这是剔牙齿的,这个是剪东西的。

      就中西的思维差异及其影响,不能不提《易经》和《圣经》。

      圣经认为人格化上帝的存在,是不变的真理。圣经对人们的思维垄断造成黑暗的欧洲中世纪并带来颠覆性的反抗,创造上帝的欧洲人最后开始了人性发现,开始文艺复兴,最后传授形式逻辑的“平面几何”走向历史舞台,与圣经平起平坐,表明科学被解放了出来,导致了工业革命。平面几何的框架结构衍生出了包括牛顿经典理学、热力学、电磁学、数学,炼金丹当中发展出的化学等等。

      易经是变经,它强调天人合一,万物相联,她影响中华文明两千年,也影响了周边国家。但易经的核心仍是它所谓的“以不变应万变”。

      因独尊儒家而兴旺的易经,称得上是思维垄断的起源,尽管易经带来了很多的辉煌,带来了我们很多重要的发明。但是它一统天下后就钳制其他诸家学说,墨家的消亡、道家的衰弱、道教的兴起、乔装的禅修问世,与此不无关系。这种舆论和社会环境也使得近现代科学不可能在中国产生。

      谈思维和精神,首先得正确看待知识。其实任何知识都具有正负效应,知识多,学富五车,融会贯通,但反之也可能生搬硬套、僵化保守;早年培根讲,知识就是力量,那是因为知识极度贫乏,一个人能看到的东西非常之少。以今天的认识看,知识都有边界,如果不能深层次把握规律一定会失误,最典型的热胀冷缩的知识在一定的条件下是对的,但是对于水是错的。所以知识只是对世界的认识,永远不能代表世界本身。因此就需要自由思维来超越自己的局限。

      

    自由思维和独立精神

      自由思维从哪儿来的?至少两个,一个是形象思维一个是逻辑思维,如果一个人没有形象思维,只有逻辑思维,这个人是不自由的,反之也如此。在形式逻辑和辩证思维这两种逻辑思维中,中国强在辩证逻辑,弱在形式逻辑。我们的逻辑思维里多类比,少归纳,无推演,所以我们不具有德国和日本人的严谨和仔细,因为在我们逻辑思维当中,它已经被拿掉了。

      西方的形式逻辑最先登陆上海,《几何原本》经徐光启介绍引入中国,但没有几个人知道。如果当时就得到重视,我们后面的命运就可能不一样。正因为我们没有基本的形式逻辑,忽略结构和功能关系,忘记功能是由结构决定的。鸦片和甲午战争失败的根源可以追溯到形式逻辑的缺乏,那个时候英国、日本的经济总量都远远小于中国,但是它们的结构比我们好得多。在中学,我们就在学平面几何,难道我们仅仅是在学习如何测土方、丈量土地吗?

      发现、发明、创新不仅仅需要自由思维,还需要独立精神。人们至少必须同时具有科学精神和人文精神,才能步入自由,正像人必须同时拥有感性的右脑和理性的左脑一样。知识不等于精神!没有了质疑,就没有了科学精神;没有了关爱,就没有了人文精神。现在需要反省的是:如何才能使得我们民族基因中存在的高智商发挥出来。我们关心国土的疆域,如何保护我们国土疆域,但我们思考过我们文明的疆域吗?我们考虑过我们思想的疆域、智慧的疆域吗?

      如今,我们太多的人不会思考、不敢思考、不想思考,互联网上,简单的复制和粘贴,正在造就新的年轻痴呆和四体不勤、僵化封闭的危险。

      借科协学术年会这个场合,我主要是想和大家一起分享我对思维的理解及对改变思维重要性的认识,分析我们民族拥有什么,失去什么,剩下什么,还可以恢复什么,最终能为人类世界贡献什么。想表达的一点就是,要从知识就是力量进化为“思维才是力量”,通过改变思维,尊重各种观点并超越这些观点,实现超越性的思维,这样来改变你我,改变中国,改变世界。

      

    大脑的抉择机制

      □郭爱克

      我们生活在一个充满着不确定性的世界里。抉择是指人或动物在风险或不确定性的条件下,基于知识或经历权衡利弊得失,选择何种策略,如何行动的过程。它是脑与认知科学领域的核心科学问题之一。大脑如何指导个体从多个备选方案当中选出最优并加以行动,这个问题神秘而有趣。生命本身就是不断做选择的过程,抉择也是我们每时每刻都要遇到的问题。抉择涉及到去或留的问题,涉及到生和死的问题,涉及到爱和恨的问题,涉及到战争与和平的问题。

      

    “两难抉择”中的“趋利避害”

      在生命体中脑的结构和尺寸是极不同的,人类的大脑,小鼠的脑和果蝇的脑的结构有很大的不同,但是都面临抉择的问题。抉择对人来讲涉及到神经经济学的问题。在经济学理论中,抉择行为的核心是效用和价值。从这一意义上理解抉择,即在不确定性条件下,通过估计各个冲突的选择项可能带来的收益和所要付出的代价,找到一个受益最大,代价最小的,并照此行动的过程。

      我们的实验室开创了果蝇“两难抉择”研究。我们首先在视觉飞行模拟器这个实验系统上证明了果蝇可以学习识别视觉模式的多个线索,如模式的形状、颜色线索等,用来指导视觉飞行定向行为,并在此基础上设计了“颜色/形状”的两难抉择范式。我们首次发现,果蝇根据颜色和形状线索的相对权重,采取惩罚概率极小化策略,在两种相互竞争的视觉线索之间,做出“趋利避害”的非线性的“胜者独享”的抉择,体现了“两利相权取其重,两害相权取其轻”的普适抉择准则。一旦我们证明了果蝇可以学习、可以抉择之后,马上就面临三个问题:它的哪一部分脑结构负责抉择?其次,它怎么来做出对它有利的抉择?进一步会问果蝇抉择和我们人类的抉择有什么区别?

      科学家们研究猴子的抉择。给一只猴子两种果汁,一种它特别喜欢,质量好、但是给量少;另一种比较喜欢,但给量多,实验猴能否在质和量中间做出抉择。它也可能在质和量之间陷入纠结。它的S-型非线性抉择曲线和果蝇的完全一致。舒尔茨及其同事发现,猴子抉择是按照价值来取向的,这是由多巴胺编码的。多巴胺是一种奖励误差信号,是不确定性的量度,与预测奖励、检测奖励误差的功能相关。如果没有预期,猴子突然得到奖励了,多巴胺神经元的放电活性是非常高的;奖励有预期,也如实地得到了奖励,多巴胺的活性就会大打折扣;如奖励有预期,但是奖励没有发生,它的多巴胺的奖励效应就会消退。

      

    脑科学未来的研究目标

      以下,我想给大家勾画一下脑科学的发展趋势。脑科学是研究脑与智力关系的科学,是研究人、动物和机器认知与智力的本质与规律的科学。我们人脑是智力演化最伟大的奇迹,它是我们灵性的家园。人脑是非常精细、非常复杂、非常优美、非常可塑的器官,它是集智慧之大成,集大成之智慧,它以其非凡的智力造就了人类知识体系和文明的社会传承。

      脑科学的研究目标首先要理解脑,理解脑是怎么工作的;第二是要保护脑,尽可能使脑不要生病,脑是会生病的,衰老也是必然的,是“定时炸弹”,所以要保护脑;第三是要模拟脑,研发模拟人脑工作原理的人工智能系统。这三个方面的研究对于提高人类的智力和创造力都极为重要。

      简单回顾一下脑科学走过的历程。上世纪初西班牙科学家拉蒙·依·卡哈尔(1906年诺贝尔生理学或医学奖得主)是一位伟大的神经解剖学家,他创立了神经元学说,绘制了很多脑结构图,美国有些研究所的墙上悬挂的不少是他绘制的神经元结构图的作品;俄罗斯的神经生理学家巴甫洛夫也是脑科学发展中里程碑式的人物;伟大的双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克,上世纪80~90年代,转向研究大脑和意识机制研究。他曾经说过:“我们至今没有绘制出人类大脑的连接图,这是一件无法忍受的事情,没有它就别指望能了解大脑是如何工作的”。这正是我想讲的主题。当今的脑科学发展,正在从对神经系统的分子、神经细胞、膜电位等的微观层面的研究,转向更多地关注和研究大脑中密密麻麻的在介观层面的神经连接图谱及其功能。所谓神经联结图谱就是在突触水平上完整地描述神经系统,以理解神经系统的功能。

      脑结构的高度复杂性可以体现在这样一些数据里:人脑有1011的神经元,相当于整个银河系的星星数目。神经纤维展开的总长度达180000公里,可绕地球四周,“坐地日行万里,寻天遥看一千河”;脑的神经联结数为1015。脑的活动所产生的信息是真正的大数据。未来的脑科学必将是将基因组、蛋白质组、神经连接组、脑网络组等进行有效集成和大规模会聚的大科学前沿,而且其发展每十年都会有很大的进步。国际上新一波的脑科学研究热潮,源于2012年美国《神经元》杂志上发表的一篇文章,这篇文章提出,可以通过记录大脑神经元的每个动作电位的活动,绘制脑活动图谱。

      今年春季,欧共体和美国分别启动两个脑研究计划——欧共体的“人脑计划”(这是一个已由瑞士资助多年的“蓝脑计划”发展而来的计划)和美国的以研发创新技术来研究大脑为目标的“脑研究计划”。脑科学最近几年比较受人关注的进展,包括发展光遗传技术,如用蓝光可以控制大鼠脑部的活动;又如开发高时空分辨率的在体记录大脑活动模式的成像技术等。

      中科院在2012年11月启动了“脑功能联结图谱”战略性先导科技专项(B)。该项目根据脑科学发展态势和最新技术条件,选择几种重要的脑功能(感觉、情绪、学习记忆、决策),力求完整地描述在正常生理状态和病理状态下,这些承担重要功能的神经网络联结的构造和运作机制,并取得了一些进展。我的课题组最近发展了一种新型神经细胞双色钙成像技术,用于研究神经元之间、突触前与突触后之间在结构联结和功能上的相互关系,并在果蝇脑中电镜重构了将近60个神经元,研究成果发表在《美国科学院院刊》。

      总之,脑科学或正在经历着一场革命,或正处在重大突破性进展的前夜。



     
    版权所有 © 2011 中国科学院神经科学研究所