周济院士丨学科交叉融合：推动科技创新的新支点

当前，学科之间的交叉与融合受到了前所未有的关注和重视。近年来，一系列旨在促进学科交叉融合的国家战略举措相继出台，如国家自然科学基金委员会成立了交叉科学部，国务院学位委员会将“交叉学科”列为第14个学科门类等。2021年，国内首个以推动学科交叉融合的专业学术团体——北京交叉科学学会正式成立。我一直在思考一个问题：在全球新一轮科技革命和产业变革的大背景下，从国家战略层面上推动学科交叉的意义何在？换句话说，学科的交叉融合这样一个学术共同体内部的行为在驱动创新、引领国家发展方面能够发挥怎样的作用？

交叉科学有望为新一轮科技革命提供源头

新一轮科技革命和产业变革将重构全球创新版图、重塑全球经济结构，成为未来若干年世界各国发展所面临的最大机遇与挑战。然而，关于这一轮科技革命的源头却缺乏共识。人类历史上经历过的三次科技革命和产业变革均以重大科学突破主要是物理学的重大突破为科学源头——第一次科技革命的基础是牛顿力学，第二次科技革命的基础是电磁理论，第三次科技革命的基础是量子力学。因此，研判新一轮科技革命和产业变革的基本特征和发展路向，无法绕开其发生的科学基础。目前流行的观点认为，新一轮技术变革以数字化、智能化以及万物互联等为主要特征，我个人认为这种观点值得商榷。因为从科学基础上看，数字化、智能化技术依然是第三次科技革命，即信息技术革命的延展和成果应用。近一百年物理学领域未能出现可与牛顿力学、电磁理论及量子力学比肩的重大科学突破，其他领域的重大突破也寥若星辰，单一学科的新突破似乎难以支撑像前三次科技革命那样重大的科技变革。相比之下，各大科学领域、各个学科间的交叉融合则存在着巨大的潜力。例如，在物质科学、信息科学和生命科学三大领域之间的交叉融合基础上产生了人工智能、基因组学、脑机融合、人机融合等前沿科技，有可能成为第四次科技革命和产业变革的突破口，进一步引发的新科技有望深刻改变人类文明进程乃至人类本身。从这一意义上讲，抓住了学科交叉融合，就有望把握住新一轮科技革命的源头。

学科交叉融合为科学研究的范式变革提供了新路径

科学研究的范式变革往往是重大科技创新的重要标志。而按照“范式”这一概念的提出者、美国科学哲学家库恩的观点，科学研究的范式变革往往是在旧的范式出现危机的时候发生，而这样的机会是随机的、可遇而不可求的。如何通过有组织的科研去推进科学研究的范式变革？我认为，学科间的交叉融合提供了一种可能性。现代科学中学科的划分导致了不同科学领域独立发展，形成了各自迥异的研究范式。而学科间的交叉融合则可能为不同学科间范式的相互借鉴，进而实现学科范式的变革提供了一种路径。材料科学领域的新分支超材料可提供一个典型案例。材料科学是实验科学，其研究的主流范式是先制备出材料，然后去研究材料的性质，再进一步改进材料的组成和制备方法进而改善材料的性质，并在此基础上建立材料组成—结构—性质的关系。本世纪初，超材料这一概念在科学界出现。超材料是通过人工结构获得的、具有自然界所不具备的新的性质的人工结构，其研究范式很类似于电子学，即通过已知功能的单元构筑系统，超材料早期的研究者主要来自于电子学和物理学领域，这种研究范式对于他们来说是习以为常的。而作为最早从材料领域进入超材料研究的研究者，我们深刻认识到，超材料不仅代表了一系列新材料，也给出了一种构筑材料的新范式，因此致力于开发超材料的方法论价值，提出了超材料与常规材料的融合的思想。基于这种思想，不仅率先研制出了介质超材料等具有优异特性的新材料，也为常规材料性能的突破提供了新的思路。

学科交叉融合是破解“卡脖子”问题的捷径

“卡脖子”问题的出现从表象上看是大国博弈背景下设置技术壁垒的后果，其本质上反映出的是在解决复杂技术问题上对国外已有技术的路径依赖。事实上，解决这样一些复杂问题往往不只有一条道路。而沿用单一学科或已有技术体系给出的解决问题方式，寻找新的道路往往比较困难。通过学科的交叉，引入新的解决问题思路，则可能另辟蹊径去解决这些问题。我们在20年前攻克的片式电感器技术就是一个很好的例子。电感器的片式化是上世纪末国际无源电子元件领域的重要突破之一，其核心技术是用铁氧体与金属导线结构实现共烧，需要具有低温烧结特性的软磁铁氧体材料。20世纪90年代，我国开始从国外引进这类新元件的生产装备，但关键材料却遭遇国外封锁，成为当时制约国内电子元器件发展的“卡脖子”问题。在“九五”国家863计划的支持下，我们开展了片式电感器关键材料的研发工作，通过材料学、物理学和化学的深度融合，率先将物理学和化学的一些原理引入到陶瓷材料设计和烧结工艺，不仅成功绕开了国外的专利封锁，还获得了当时国际上性能最高的兼具高性能和低温烧结双重优势的软磁铁氧体材料，为此后我国片式电感器产业的迅速崛起提供了关键支撑条件。

学科交叉融合是构建创新文化、培养高素质创新型人才的重要途径

创新文化的氛围、科学精神的土壤是形成创新型国家、建设科技强国的必要条件，是源源不断地产生思想活跃、能够跳出惯性思维的科技创新人才的基本保证。而学科的交叉融合，对创新文化的形成、科学精神的培育以及创新型人才的培养有着重要意义。通过学科交叉融合，跨越学科界限，有助于形成新的思维维度，提升科技工作者乃至全社会的科学素养、探索热情、想象力和创造力。特别值得指出的是，在科学高度分化、学科间壁垒越来越高的今天，跨学科教育对于让学生建立全景式知识系统、提升思维能力方面尤为重要。北京地区作为全球最活跃的创新区域之一，有着雄厚的科研资源、齐全的学科专业，高校和科研机构云集并在空间上也比较集中，是推动学科交叉融合、构建创新文化的理想之地，我们期待能够通过我们的努力，使北京成为学科交叉融合的学术高地，为建设首都国际科技创新中心、成为我国自主创新的重要源头和原始创新的主要策源地尽我们的微薄之力。

另外需要补充的一点是，学科的交叉融合是一个动态过程，不宜人为划定哪些学科属于交叉学科。事实上，任何学科的发展往往都需要借鉴、融合其他学科的知识和方法，学科交叉也发展出成熟的新学科，如物理化学、生物物理学等，而几乎所有工程科学都是融合若干基础科学的基础上发展的。因此，对交叉学科的支持也应该有所取舍、有所侧重，应重点关注尚未形成学科交叉或尚待成熟的交叉领域。有鉴于此，我们提出关注“大交叉”，如自然科学和社会科学的交叉、科技与艺术的交叉、生命科学与物质科学的交叉等。 学科的交叉融合有望成为推动科技创新的重要抓手，将学科交叉融合纳入国家科技强国战略意义重大。 期待有更多支持、扶植、推动交叉学科发展的新战略、新举措出台。

作者：周济，中国工程院院士、清华大学材料学院‍‍

本文转载自微信公众号学习时报，原载于《学习时报》2024年6月26日刊‍‍‍

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