從赫茲的“無心插柳”，到麥克斯韋的卡文迪許實驗室，再到馮·卡門的國家實驗室，以及錢學森的建言獻策?；A研究觸發一系列技術革新與產業革命，成為支撐起現代科技文明萬千廣廈的基石。

撰文/記者 段然    圖文編輯/陳永杰    圖片來源/視覺中國

當今世界百年未有之大變局加速演進，科技創新業已成為推社會生產與生活方式進步的關鍵力量。而在科技創新的背后，是大量新的科學問題與技術難題的不斷涌現，這些關系到未來創新方向的根本性問題，需要借助基礎研究的力量找到答案。

習近平總書記就曾多次強調：“基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的總開關”。在基礎研究中，人們探索自然的根本規律，揭示科學的本質與內涵，并通過對新現象新問題的解構與祛魅，提出新的理論與方法，從而為科技創新提供解題思路。所謂“欲流之遠者,必浚其泉源”，夯實筑牢基礎研究之本，科技創新方能行穩致遠。

翻開人類技術演變的歷史，我們會發現基礎研究從來都不僅僅存在于深奧難懂的論文里和遠離塵囂的實驗室中。我們可能無法讀懂基礎研究中高深的理論與復雜的推演，但卻無時無刻不在享受著基礎研究給我們的生活帶來的巨大福利。下面就讓我們沿著歷史長河，溯流而上，從幾位知名科學家的科研經歷講起，一窺基礎研究觸發技術突變背后的有趣故事。

◎◎◎

科學家智慧接力，

打造現代信息技術發端

自從人類進入工業文明以來，基礎研究就逐漸成為技術創新的基石，并開始處于從研究到應用、再到生產的科研鏈條起始端。但從紙面上的科學理論走向技術革新，再實實在在地影響我們的日常生活，這一過程在相當長的一段時期內，卻要依靠科學界與產業界一系列意料之外的機緣巧合才能促成。

讓我們以現代信息科技的發端為例：今天的我們早已習慣了信息技術帶來的種種便利，如果我們將時間線反推，會發現這些習以為常的生活點滴，實際上是凝聚了過去兩個世紀以來電磁學領域的科學研究成就。20年前，智能手機的雛形才開始出現；40年前，移動通信才剛剛普及；一個多世紀前，電報機被發明出來。順著人類通信技術的發展脈絡再往前追溯，在那個基本依靠郵政進行通信的年代，我們會發現有三位科學巨匠矗立在了故事的起點上：法拉第、麥克斯韋與赫茲。

很多重大的科學發現都源自于實驗室。1831年，癡迷于研究電磁現象的英國皇家學會院士法拉第，成功揭示了電磁感應定律，從科學角度證實了電學與磁學現象具有統一性——法拉第的理論成為日后多種電動機和發電機等電子器械的發展基石。

不過遺憾的是，由于自身數學理論基礎的欠缺，作為實驗天才的法拉第卻一直苦于找不到深入闡釋電磁感應定律的科學方法，他從大量實驗中提煉出“場”的概念，卻無力用數學語言去描述它。

直到1855年，法拉第偶然間看到了一篇名為《論法拉第力線》的論文，方才發現一位名叫詹姆斯·麥克斯韋的年輕科學家已經開始借用數學框架去解釋電磁學早期理論。如獲至寶的法拉第開始四處打聽這位科學家的個人信息。

5年后，他終于見到了麥克斯韋。經過一番長談，法拉第方才得知，在這5年時間里，麥克斯韋已經推導出多個偏微分方程，對電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關系的數學描述逐步清晰起來，法拉第理論多年的缺憾終于被這個年輕人補足了。

麥克斯韋最初推導出了8個方程，經過后世科學家的修改被優化成4個，這就是今天中學物理課本上的?？汀溈怂鬼f方程組。麥克斯韋用數學手段成功闡釋了電場與磁場的波動本質，從中推測出電磁波的存在，成為電磁學的重要理論基礎。

▲麥克斯韋和麥克斯韋方程組

麥克斯韋用紙面上的數學推導驗證了法拉第的實驗，但從他的數學模型中推導出的電磁波，并不能直接被肉眼觀察到，還需要經過實驗室的“回爐“驗證才能使人信服。于是，麥克斯韋又如法拉第一樣，開始苦苦尋找電磁波存在的蛛絲馬跡。

直到麥克斯韋去世的8年后，來自德國的物理學教授海因里?！ず掌澆抛岆姶挪ìF了真身。他在其導師的實驗室里，制作了一組外形怪異的實驗儀器：一個由電池、兩組銅球、銅棒與感應線圈組成的電火花發生器，和一個由兩個長方形銅杯和銅球組成的電磁波接收器。

根據麥克斯韋的理論，在發生器產生電火花時，所產生的振蕩電場會引發向外傳播的電磁波，這電磁波會使接收器產生振蕩的電動勢，并同樣產生電火花。經過多次實驗，赫茲驚喜地發現，距離發生器數米外的接收器規律性地產生了微弱的電火花！電磁波以這種方式首次真實地出現在人類的視野中。

▲赫茲

電磁波的發現，是人類電磁學研究極具里程碑意義的事件。這一發現不僅僅開創了電磁學研究的新紀元，還直接宣告了無線電時代的到來。

19世紀末，意大利工程師馬可尼首次從技術角度審視電磁學理論，并意識到電磁波在未來通信領域的巨大應用價值。他制作出了最早一批無線電發報機，將電磁波作為通信載體，先后完成一系列遠距離無線電通信實驗。根據實驗成果，他成立了第一家電報公司，電磁波這個原本只存在于草稿紙與實驗室中的鬼魅倩影，終于開始創造社會價值。

此后無線電技術更是一日千里，為人類通信技術插上了翅膀，同時由于電磁波自身接近光速的運動速度，其被應用于天文觀測，開創了射電天文學的一片天地。

19世紀，在兩次工業革命策源地的歐洲，不少高校陸續成立實驗室，開展系統性的基礎科學研究。但這一時期的大學實驗室大多脫胎于以往的科學家私人實驗室，私人氣息依然濃郁，對于科學研究與實驗，只局限在曲高和寡的科學理論本身，對研究的方向、應用價值與場景缺乏高屋建瓴的思考與清晰的規劃。

科學家與工程師雖然在電磁學領域完成了智慧接力，但在19世紀中后期工業革命風起云涌的年代，基礎科學的演進與應用技術的飛躍，卻要依靠科學家們的“無心插柳”，這當然是很不可靠的。人們顯然要對基礎研究的基本范式做出更多實質性的改變。恰在此時，那個實現電磁學理論突破的麥克斯韋，承擔了一項革命性的任務，讓一切變得煥然一新。

◎◎◎

卡文迪許實驗室：

“目標引領”與“自由探索”結合的典范

1962年深秋，一位湖南安江農校的年輕農業技術教員在閱覽一份《參考消息》上的國際新聞時，意外地從報紙的夾縫中讀到了這樣一則消息：來自英國卡文迪許實驗室的生物學家弗朗西斯·克里克與詹姆斯·沃森共同發現了DNA螺旋結構，并成功破譯了上面的遺傳密碼。二人因此項成就榮獲當年的諾貝爾生理學和醫學獎。

對于DNA、基因這些時興的生物學新名詞，這位外文水平極好的教員并不陌生，但當一眼掠過這條消息時，依然感到巨大的震撼：原來國外的生物學研究早已深入到分子層面，并向著基因技術大踏步邁進。一直在田間地頭苦苦尋覓農作物增產之道的農技教員，在那一刻被點醒，開始重新思考研究方向，沖破傳統遺傳學理論的桎梏，對培育高產雜交水稻發起挑戰。多年后，這位農技教員成為了婦孺皆知的農業科學家，他的名字叫袁隆平。

▲弗朗西斯·克里克與詹姆斯·沃森共同發現了DNA螺旋結構

當時已經享譽世界的克里克與沃森可能并不會想到，他們發現的DNA螺旋結構在震動整個生物學界之余，在無意間點撥了萬里之外的袁隆平。而他們相遇、相知、共事并相互成就的卡文迪許實驗室，則是20世紀眾多影響和改變世界的偉大科學發現的搖籃，至今從這個實驗室里已經走出了30位諾貝爾獎得主，其他在基礎科學研究領域卓有成就者更是不計其數。除了克里克與沃森，盧瑟福、玻爾這些我們在中學就耳熟能詳的物理學大師，也都曾供職于這家實驗室。而這座劃時代實驗室的誕生，則要歸功于1871年的麥克斯韋。

麥克斯韋擔心英國會在未來的物理學研究領域落后于人，于是他決定創辦一家全新的實驗室，系統性地培養物理學科研人才。

時任劍橋大學校長的威廉·卡文迪許對麥克斯韋的想法十分贊賞，他為實驗室的建設提供了一筆豐厚的捐款。為紀念18世紀英國著名物理學家、同時也是校長親戚的亨利·卡文迪許，麥克斯韋將新實驗室命名為“卡文迪許實驗室”。

從建設之初，麥克斯韋就給這個全新的實驗室植入了在當時看來相當超前的創新理念。首先，實驗室徹底從舊式的私人辦公室或宅邸走出來，成為劍橋大學物理學院隸屬的獨立研究機構。其次，卡文迪許實驗室第一次將實驗活動下沉到了教學環節，將理論教學和實驗活動緊密結合，使實驗活動不再是科研人員的專屬。這打破了以往“學生做實驗毫無用處，只需要聽教授講課即可”的成見，實驗室還可以給學生授予正規學位，真正把實驗納入到大學學習的全周期中。

最重要的是，上到管理層的選拔與任職標準，下到日常招生工作，麥克斯韋都制定了詳細的規章制度，在保證實驗室正常運轉的同時，將整體研究方向與目標明確化和清晰化，這就擺脫了以往私人實驗室過于“散漫”的工作特質，將實驗室的目標導向機制與科學家個人的自由探索精神很好地結合了在一起。

另外，卡文迪許實驗室的規模與專業化程度也非以往任何一個私人和高校實驗室可媲美：他擁有固定的實驗場所、成體系的實驗設備和固定的教師與實驗人員，還設有專門制造各種專業設備的工廠。麥克斯韋就此掀起了一場“實驗室革命”，讓卡文迪許實驗室成為世界上第一所現代意義上的專業化科學實驗室。

在麥克斯韋及其幾代繼任者的不懈努力下，卡文迪許實驗室開始成為近代科學史上具有舉足輕重地位的科研機構。在20世紀初的擴建后，研究方向從過去單一的物理學擴展到化學、生物學等領域。

在上世紀40年代，當時的生物學家已經從實驗中發現了名為脫氧核糖核酸的高分子物質，并推測這個染色體的重要組成部分，有可能攜帶著重要的遺傳信息，是基因的根源。但對于DNA的認識始終未有實質性突破。

1951年年底，剛剛從芝加哥大學獲得博士學位的美國學生沃森申請到卡文迪許實驗室進修生物學和遺傳學，在這里他遇到了還在做博士畢業設計的克里克。在那一年，克里克剛剛和另外兩名青年學者一起提出了關于螺旋體分子X射線衍射的數學理論。他的研究方向引起了沃森的濃厚興趣，志趣相投的二人遂投入到DNA的研究中。

得益于卡文迪許實驗室良好的科研環境與嚴謹求實的學風，沃森和克拉克在充分吸收前人研究成果的基礎上，反復研討、演算和實驗，終于在1953年確認了DNA的雙螺旋分子結構并對其完成了破解。他們將自己制作的DNA結構模型公之于眾，轟動了整個科學界。

▲沃森（左）和克里克（右）與他們的DNA雙螺旋模型

DNA結構的發現，使得生物學研究深入到了分子科學水平，促成了分子生物學這一新興學科的誕生，引發了“第一次生物科技革命”?？茖W家得以破解遺傳密碼，使得從分子層面揭示生命遺傳的本質成為可能。這一發現又很快從基礎研究擴展到技術應用中，在沃森和克拉克之后，蛋白質合成、基因工程、酶工程等尖端生物科技如雨后春筍般出現，對我們今天的生活產生了極為深刻的影響。

受DNA雙螺旋結構發現的震撼與啟示，袁隆平開始對當時國內主流的遺傳學理論進行深入反思，并逐步摒棄了源自米丘林和李森科的“獲得性遺傳”思想，重新回歸到經典遺傳學理論的思路上。

在這種思想指引下，他對雜交水稻的研究終于出現了曙光， 1964年他首次發現了第一棵雄性不育株水稻，后經過近10年的艱苦探索，終于完成了水稻“三系”配套工作，用一套復雜繁瑣的育種工程，培育出世界首株秈型雜交水稻，在全國推廣后實現了每畝增產達20%的成果，袁隆平的壯舉就此在世界上掀起了一場“綠色革命”。

◎◎◎

大科學命題、國家實驗室、錢學森的意見書

進入20世紀，在第三代掌舵人約瑟夫·湯姆生的領導下，卡文迪許實驗室迎來了它的黃金時代。湯姆生在任內推行了一系列制度改革：比如建立新的學位制度、面向全世界延攬科研人才、組建研究課題組等。受此激勵，成批的科研青年才俊爭先恐后地匯聚于此，大量舉世矚目的重大科學發現與成果在這里產生，并開始涌現出不少諾貝爾獎得主。此時的卡文迪許實驗室，儼然一座傲立于世界的物理學研究殿堂與實驗科學中心。

當然，并不是所有來到卡文迪許實驗室的青年學者都能得償所愿，學有所成。來自丹麥的尼爾斯·玻爾在1911年被湯姆生招進來做博士后研究后，就陷入了迷茫。原本湯姆生建議他去做一些關于陰極射線的研究，這一方向也正是湯姆生科研工作的重心。但對此玻爾卻興味索然，毫無動力。趁著休假，他趕赴曼徹斯特拜訪友人，偶然結識了曼徹斯特大學物理系教授、曾是湯姆生學生的盧瑟福。他領導的放射現象研究實驗中心、以及他針對原子結構提出的“盧瑟福模型”都讓玻爾分外著迷，于是他毅然決然地從久負盛名的卡文迪許實驗室離開，轉入盧瑟福門下，開始了原子結構的研究工作。

就在自己學業和事業迎來轉機之時，玻爾又結識了來英國訪問的德國哥廷根大學物理學教師馮·卡門。兩個年輕人研究方向迥異，前者聚焦于原子結構等微觀世界，后者則在鉆研空氣動力學，但這卻絲毫阻礙不了兩位學者從此建立長達數十年的友誼。

在投奔盧瑟福后，玻爾的科研事業突飛猛進。1913年，玻爾在他發表的三篇重要論文中提出了原子結構的新模型——玻爾模型，他創造性地引入量子化概念探究原子內電子的運動規律，對其導師提出的“盧瑟福模型”作了重要補充和發展。這一模型的提出深刻影響了日后原子物理學和量子力學的研究走向。多年后，玻爾與德國物理學家海森堡聯合開創了量子力學哥本哈根學派，成為與愛因斯坦、普朗克齊名的量子力學旗手之一。

玻爾見證了又一個科學百花齊放的時代，這一時期，不僅有量子力學的橫空出世，還有以流體力學為基石的航空工程的突飛猛進。而他在英國偶遇的馮·卡門正好是當時流體力學界的領軍人物。在他們初次相見的那年，馮·卡門就提出了著名的“卡門渦街”理論，對當時盛行的空氣動力學原則產生了顛覆性影響。

1930年，馮·卡門接受了來自美國加州理工大學的邀請，擔任新成立不久的古根海姆實驗室主任。由于本身是工程學專業出身，自己也參與過一些飛行器的研制工作，加之在20世紀初，航空技術一日千里，空氣動力學理論投入生產應用的速度加快，馮·卡門并沒有拘泥于純理論研究，而是通過實驗不斷推動理論研究在工程領域中的應用。他指導建立了美國第一座風洞，在提出了附面層理論與超聲速阻力原則后不久，就主持進行了美國首次超音速風洞實驗，在噴氣動力與液體火箭動力方興未艾的年代，馮·卡門為美國航空航天領域積累了雄厚的技術儲備。

30年代中期開始，馮·卡門的研究重點開始轉向火箭技術，1936年更是在古根海姆實驗室成立了由5人組成的火箭研究小組，專門研制各種實驗型液體動力火箭。也正是在這一時期，隨著科學研究與探索的不斷深入和細化，跨專業多學科交叉融合的科研理念開始出現，基礎研究工作越來越依賴于高昂的資金投入和大規模的協調配合。特別是在兩次世界大戰戰火的催化下，基礎研究需要清晰的宏觀目標作為戰略引領——這些都被后世的科學家總結為“大科學”概念的特征。在“大科學”這一新的時代命題面前，卡文迪許這樣以大學為平臺發展起來的專業化實驗室就多少有些力不從心了，于是國家力量開始走到前臺，開始為基礎研究注入新的動能——國家實驗室出現了。

1944年，馮·卡門和他的火箭研究小組聯合組建了“噴氣推進實驗室”。這座實驗室是由美國聯邦政府資助成立的國家實驗室。在國家力量的強有力推動下，產業界、學界和政府的資源被匯聚到一處。

在噴氣推進實驗室里，馮·卡門既是皓首窮經的理論學家，又是富于創造的工程師，更是注重效率的項目管理者。在他的領導下，噴氣推進實驗室成功研制了一系列火箭發動機，為日后美國的太空計劃提供了源源不斷的動力保障。

在當初的5人火箭研究小組中，有一個來自中國的面孔，他是馮·卡門最為倚重的得意門生，當時首屈一指的噴氣與火箭動力專家——錢學森。

1954年，錢學森沖破重重阻攔回到祖國，毅然投身于祖國的國防建設中。在歸國后不久，他給黨和國家領導人提交了一份重要文件，這份文件不是他的最新研究成果，也不是國外相關技術資料，而是《建立我國國防航空工業的意見書》——一份關于火箭技術研發工作的綱領性文件。在意見書中，錢學森就航空工業的部門設置、組織機構、科研單位以及長遠規劃等宏觀建設問題提出了自己的建議和方案。

在國外浸染多年的錢學森十分清楚，要讓中國的航空航天技術從一窮二白的荒地上成長起來，需要的不是幾個關鍵技術的引進、也不是個別科學天才的引入，而是需要提綱挈領的整體規劃，需要國家力量作為后盾，從成立一系列研究所推動基礎研究建設開始，將科研成果深入到技術應用、生產建設和人才培養等方面。在錢學森的腦海里，基礎研究已經高度嵌入到國家科技發展的戰略體系之中。

▲上海錢學森圖書館里的錢學森頭像

也正是在這樣的思想指導下，與火箭相關的領導機構開始組建，各專業學科的科研院所紛紛成立，相關生產廠家相繼開工建設，各高校也根據要求調整專業設置。一條從科研到應用，再到生產和人才培養的清晰鏈條開始形成，這才有了后來“兩彈一星”的光輝偉業。

從赫茲的“無心插柳”，到麥克斯韋的卡文迪許實驗室，再到馮·卡門的國家實驗室，以及錢學森的建言獻策?；A研究是如何跳脫出純科學探索的理想化窠臼，觸發一系列技術革新與產業革命，成為支撐起現代科技文明萬千廣廈的基石。加強基礎研究，提升基礎研究水平，是任何社會任何國家都繞不開的重要議題。

而在技術急速迭代更新的當下，世界已經步入“大科學時代”，基礎研究一旦取得重大突破，就能催生出顛覆性的科技創新，直接帶動生產力的跨越式發展，從而對社會經濟生活面貌產生深刻的影響。面對新的時代要求，以服務國家戰略和促進高質量發展為目標引領部署基礎研究工作，加強基礎研究工作的體系設計，真正產出一批對世界發展和人類文明進步有重要影響的原創性科學成果，是我們需要共同思考的時代命題。