1，虽然经常回国，却很少像这次，令人感慨：改革开放40多年了，我们国家科研经费已经走到世界前列，而且每年培养的理工类的人才数量远超美国，甚至其他许多发达国家加在一起；但是，为什么我们还是原创寥寥，更别提什么诺贝尔奖了？ 

相比之下，我教书33年的大学，有过好几个诺贝尔科学奖，有老师也有学生。在美国拿了博士学位的学校，居然出过100多个诺贝尔奖。尤其令人尴尬的是，据说日本打算到21世纪的中叶，要收获30个诺贝尔奖。现在是2023年，距离截止期还有27年，竟然已经数到了29位，距离目标只差一位。

除了原创，更令人难受的是被人‘卡脖子’。小时候，常听大人们提到的是，自力更生，打破封锁，反卡脖子。过了一个甲子，似乎又回到了原地。但与60年前不一样的是，那时人家不卖给我们。而今天被卡的东西就摆在我们面前，我们却复制不出来。

因此，有了今天的主题。

2， 为了确保不浪费大家的时间，有必要先向大家展示一下我个人非同寻常的经历。在海外学习，教书40年的同时，也几乎走遍了全世界。这张世界地图中，涂满绿色的是我曾经涉足的地方，绝非蜻蜓点水。比如，印度就去过三次，到过许多角落；邻国俄罗斯也去了三次，从东到西走了大部分的地区；常人罕至的非洲，前后游历了八次，足迹覆盖了大部分国家。中间还有一些空白的国家，则因处于战乱，暂时还没能成行。加上绝大部分亚洲，欧洲，中东，以及整个西半球，不但见识了世上的发达国家，更有欠发达的，尤其是极不发达的地方。亲身经历多种维度的比较，使我获得了许多难得的观察。因此，我答案可能会对各位有意想不到的启发。 

3，如果希望从一开始就对主题进行直截了当的回答，可能得做好大吃一惊的准备。那就是：瓶颈，或卡脖子，是个伪命题。为什么这样说？简单的解释就是，正如本片第一条所指明的：所有的物质都是由原子构成，哪怕宇宙最遥远的角落，也是如此。为什么要提原子？因为原子的种类即元素周期表非常有限，只有百来种，而且它们的行为方式都是一致的。换句话说，如果某种原子构成的材料，在美国可以被做成这样那样的东西，比如芯片，绝对不会到了中国就要跟我们作对，让我们做不成芯片。这个道理是如此简单，那为什么我们还是做不了呢？这就要讲到下一条。请看右边这棵树。你一眼望去最先看到什么？树叶和结出的苹果。这就给我们造成了一个错觉，任何高科技的产品本身，已经包含了全部秘密。只要买来做些解剖，便可了解其中奥妙。但是，连小孩子都知道，这样做并不能复制苹果。

因此，如果我们希望成为制造强国，光靠解剖进口的苹果肯定不行。要想达到目的，还要引入苹果树，以及种树的方法。也就是制造的技术。更进一步，为了能够自行开发或改进技术，我们还必须掌握技术之树的根。什么是根？就是本片的第三条：科学。显然，先要有根才能有树，才能有果实，而不是倒过来。所以这张片子的题目必须是，从科学到技术，再到产业。然而，欠发达的国家常常有一个共同的毛病，只见果实，不见树，更看不见根。一个很明显的例子就是，我们经常被问道，有什么新的项目啊？这个项目是什么东西呢？当然不会是树根，也不是树，而是人家新出的果实。

同样的道理也经常体现在树以外的事物中。某个好莱坞的电影里，来自中东沙漠的一位，从来没见过冲水马桶。因此从纽约回返国时，肩扛了一个回到沙漠。结果发现根本不能使用，因为沙漠里既没有进水管也没有下水道。这个例子从另一个角度告诉我们，技术也好，产品也罢，一定要有根，这个根就是现代科学。

讲到这里，问题的答案已经很清楚了。我们必须把眼光放大放远，不要仅仅看到那个苹果手机，航空发动机，或者一块集成了几百亿晶体管的芯片等等。不光要看到长出这些果实的树，还要看到它们的根，要从根上去了解。也就是要从科学层面出发 – 而且科学层面的内容一般是完全公开的，不存在卡不卡的问题。如此说来，所谓瓶颈/卡脖子应该是一个伪命题。

从发达国家的历史，也可以佐证什么才是发展的正道。美国据说在十九世纪末已经GDP世界第一了。 但又用了很多年才成为了老大，其中一个前提就是大力发展科学研究，而非复制别人的技术产品。最明显的例子，就是1957年苏联抢先发射第一个人造卫星之后，美国因此拼命投入与扩张各大学的理工基础。

讲到这里，大家一定会说，这不就是我们正在做的吗？并且，我们每年培养的理工类的人才数量已经远超美国，甚至于其他许多发达国家加在一起？网上经常可以看到一个词叫做‘卷’，我们的小升初，中考，高考都已经是全世界差不多最难的。对比中国的高考大纲，是欧美国家远比不上的。既然如此，凭什么说我们的科学还不行呢？

因此，我们有必要在此讨论，我们的科学到底行不行，不是数量，而是质量，尤其是我们的科学素质，包括大学的校长院长们、研究所的所长们，企业的老总们，跟底下的研发工程师团队，还有数以百万计的博士硕士们。

4，我们可以从一些具体的例子开始。首先，科学告诉我们，什么是不可能的，而非科学无所不能，这一点非常重要，但经常被大家忽略了。例如，水变油是不可能的。在比较发达的地方，大家不会对此有异议。在其他的地方就不一定。还在时不时地冒出来，忽悠大家，收割一批韭菜，最后才被发现是个骗子。然而，大家有没有想过，为什么水不可以变油？其实是基于一个非常明显的科学原理，能量守恒。这是每个进过学校的人都应该知道的，但是很少有人能够把这个跟水不能变油联系起来。

更进一步的是，能量守恒的总结，热力学第一定律，还有一个表述，就是所有的能量形式相互可以转换。为什么要提这个？因为科学有许分支。你如果想用最短的时间了解一些科学最基本最重要的原理，那么能量守恒一定是其中之一。与此同时，如果你想找到一个量，在各个领域都要用到，而且是必不可少，那一定是能量。用电是能量，煤也是，甚至你吃的食物。由于减肥，这个经久不衰的话题，讲的还不就是能量吗？既然是个量，你就要去度量它。回到刚才的问题，科学告诉我们水变油不可能，这个不可能的原因是什么呢？因为水的能量要比油的能量低，等等。

第二个例子就不那么简单了，却更加被忽视。那就是热力学的第二定律。当然，热力学之类，一般是理工科的大学课程。但其实也非常容易理解，说不定比水变油还要容易：我手中的瓶装水是透明的吧？你滴一滴红墨水进去，它立刻就自发地扩散到整瓶水，不需要你做任何事情。但是，如果要让这个自发的过程反过来，把红墨水挤回成一滴，水又回归透明，这可能吗？直觉告诉我们，不可能。还是刚才一样的问题，为什么不可能？因为热力学第二定律表明。。。除非有外力。就在不久之前，我国权威媒体曾经报道说，有个新发明，可以在不增加任何额外能量的情况下，让混合水进行分离，然后。。。现在就连各种宇宙理论也大都遵照热力学第一第二定律进行推测计算，但是你告诉我，唯独这是个例外？也许这个发明是按照别的科学原理，并不违背热力学。但如此报道显然违背科学。由此可见，虽然产生了世界第一多的理工科毕业生，我们有没有真正把科学用于实践？

有鉴于此，有必要进一步讨论有关能量的方方面面.

5，刚才只是举了两个大家比较熟悉的例子，水变油，海水自发分离。科学除了告诉我们什么是不可能的，还给了我们边界，给了我们度量。比如，能量是一个在所有的领域都用得着的，哪怕只是为了减肥。首先举个机械方面的例子，这个桌子上的瓶装水，大概是500克，2瓶水就是一公斤。而1米的长度，大概是从地面到桌面。当你把水瓶拎到桌面上，做了大概10个焦耳的功。于是这2瓶水在桌面上，就具有了一定的机械能量。意思是说，如果你把它们推下去，势能转化为动能，砸到你的脚，很可能要进医院了。也就是说，10个焦耳的能量足以砸伤你的脚。如果换成一个大家比较熟悉的单位，一度电。换算的结果是，两瓶这样的水从桌上掉下去，所产生的能量相当于百万分之二度电。也就是说，一度电产生的机械能，可以砸伤50万只脚，挤爆全国的医院。

看来机械能的密度的确不高。那么常用的化学能如何呢？比如汽油，柴油等各种油，除了酱油。一公斤汽油有多少个焦耳的能量？40多个百万。比刚才的瓶装水多了差不多四百万倍。换算过来，相当于十几度电。因此，如果你给汽油车加个50-60升的汽油，就相当于500度电。但现在的电动车一般只能充40-50度电，只有汽油车的10%左右。虽然内燃机的能量转换效率最多20-30%，而电动车可以达到90-100%，电车的续航仍然只有前者的几分之一。

第三个例子更有意思：原子能。我们还是用同样的重量，一公斤铀，进行裂变反应所释放的能量，大概是一公斤汽油的200万倍。所以，从机械能到化学能，再到原子能，能量密度的增加都是百万倍以上。而从机械能到原子能，则增加了10万亿倍。因此，我们要创新，要反卡脖子，要设计新的产品，要找到新的生产的方式，首先应该了解这些原理与尺度。而这正是我们的主题，即，科学不但告诉我们什么是不可能，而且给了我们一个明确的边界。

刚才没有说到的电能，大都仅用于能量转换。虽然自然界有雷电，含有巨大的能量，但迄今为止还没有效办法收集。还有热能，也大致用于转换。这些构成了粗略的框架，即科学给出的边界。尤其是，电与热，跟大家日常的经验相去甚远，常常出现各种谬误，阻碍创新发展。

6，科学告诉我们，能量不可能凭空产生，也不可能凭空的消失，而是相互可以转换的。但通过热能的转换方式受制于热力学第二定律，大部分情况下效率很低，最多只能到50%，所以热能不是一个好的转换方式。这应该成为一个重要的指导原则。而电能就没有这个问题，因此用途最广。不但容易受控 - 可以做成各种开关，成为了逻辑电路的基石。也就是目前高科技的一切，包括芯片、电脑、智能手机等等 - 而且转换效率高，比如电动机的效率一般可达百分之九十几。这一切的科学原理，是因为电能只涉及各种材料中电子的运动，而非构成材料的原子本身。与之相关的是光电转换，应用极其广泛，比如太阳电池，手机电脑的显示屏。但这些科学原理更加远离日常生活的常识，更容易出现想当然。

例如，一个电池放电时，负极向负载发出电子流，与此同时，它包含的正离子也必须在电池内部移向正极。很多人以为，这个正离子迁移的动力来自于静电场。这就违背了库伦定律，同性相斥，异性相吸。而且倒因为果。这样的谬误非常普遍，不乏名家专家。总之，电能，光能，与普通常识相差甚远。因此建议，各位应当不断温习科学基石，载好树根。

7，四大科学基石中，除了牛顿力学，大家比较熟悉，跟常识比较接近之外，麦克斯韦尔的电磁理论就与常识相距较远。量子力学更是如此，网上有言：“遇事不决量子力学”。似乎量子力学就是拿来忽悠观众的。其实，所有半导体，集成电路，晶体管等都是基于量子力学。先有量子力学才有二极管三极管。所以搞电子行业，不懂量子力学，只能靠骗。至于最后的热力学，之前已经展示过。虽然不起眼，却是揭露大大小小，有意无意的骗子们的法宝。有了这些基石与框架，我们就可以进一步讨论一些有用的，可以用来指引创新的东西。

8，说到指引，令人联想到预测。尤其是对股市的预测。上海的股票市场，比如。作为世界第三，仅次于纽约及纳斯达克的股票市场，据说有一大帮预测师。貌似两三个星期前，韩国号称发现室温超导，股票立马开始显示，其实跟超导八竿子还打不着呢。所以预测这个词不太好，不如另一个词预估。无论如何，你不能靠这些股票市场的预测师，大概率是一种盲目，因为股票市场这帮人，今天看到苹果公司有新苹果，就哄抬苹果股票涨到世界第一，尽管苹果公司的产值远远不是全世界最大。特斯拉也如此。车才卖到几万辆几十万辆，远远不如丰田之类，股票又涨成全世界第一，肯定不靠谱。不靠谱的最主要原因，据我刚才所讲，你就会明白，他们看的只是苹果，而不是树，更不是根。

那么，你说我不看苹果，改看那个树干吧，树干需要长很多年，也就是技术。根据这个新技术预估总可以了吧。我要告诉你，靠技术预估也常常不靠谱。举一个大家耳熟能详的例子，当然这个例子还是进行时态，也不敢说我今天的预估一定准确。Chart GPT，无人不知，无人不晓。自去年11月出现以来，仅国内就新成立了近3万个GPT公司，跟随这个技术。但测试结果发现，它几乎就是一个‘饶舌者’而已。虽然反映不慢，却无法给出直截了当的回答，经常带你绕啊绕。连初中数学题，也做不出来。也就是说，它的智商止步于初中数学。一个初中的学霸绝对可以碾压它。当然，这只是目前的状态，不代表将来。但至少表明，仅从技术出发，所做的预估也不一定靠谱。

因此，预估首先应当从科学出发。最明显的例子，来自于目前的大热门，光伏，或太阳电池。不断有人掀起一波波热潮，大炒特炒各种所谓的新材料系统。然而，无论是能量效率，还是使用寿命，多年前就成熟的硅光伏，早已接近天花板了。这个能量效率的天花板，叫做Shockley-Queisser极限，60年前就有了。若想打破它，纯属白日做梦。至于使用寿命，硅光伏可达数十年，让几乎所有的新热门望尘莫及。所以，除了用来制造风口，圈钱/割韭菜之外，所谓的热门前途堪忧。

同样热门的还有可充放的电池，它的最主要的参数是能量密度，就是刚才所说的，一公斤汽油等于多少度电。一度电就是一千瓦时。目前最好的，锂电池的能量密度，只有每公斤0.3度电左右。但锂金属本身每公斤有十几度电的能量。镁金属也有6度电/公斤。也就是说，锂电池或镁电池的天花板比目前的最佳，还要高出数十倍。目前的设计为了安全把锂金属分散，但代价是能量也被分散，使得密度降低。尽管如此，还是存在枝晶问题，经常导致事故。这一切都是基于最简单的科学原理，甚至中学的化学物理。这样的预估，不要说3年5年，更长的时间内都不可能改变。所以，一定比那些股票预测，甚至技术预测要可靠得多。

9，除了电池，也不得不说一下氢能。据说马斯克等认为，搞氢能很愚蠢。因为氢能转成电能要靠燃料电池，它的能量效率远低于100%，无法避免的三种能量损耗：活化能，欧姆损耗，加上浓度过电位。因此，整个系统的效率，若能达到50%已经很不错。但正因为目前的电池，距离天花板很远。不光是作为过渡阶段，还是作为一些特殊的场合，氢能具有一定的市场。

不同于电池，氢能的挑战在于氢气的储存/运输。因为产氢，比如电解水，及用氢，比如燃料电池，早已成熟了。两者之间的联系，储氢，却不光在国内，也是其他国家的瓶颈。目前主要有两种方式，一个是液态储存，就是把氢气冻到零下250多度成为液体。还有压力储存，在数百个大气压下。前者不太靠谱，因为非但降温需要费很多能量，而且液氢每天要蒸发掉百分之几。还得让它泄放出来，不然闷在里面会导致爆炸。蒸发不但浪费，更为头痛的是蒸发到哪里去？显然不能蒸发在室内，否则可能引发灾难。

至于压力储氢，则有材料问题。首先不能用钢铁，氢气会钻进去产生氢脆，把钢铁变成玻璃。只能用铝合金之类。还要加碳纤维，甚至环绕碳纤维。总而言之非常麻烦，听说我们现在还不能全面生产700大气压的容器，只能搞到差不多一半。这样一来储存的密度就大大的降低。而我们有一个新想法，把容器做成蜂窝状，分而治之。可以有效地解决这个难题。

最后提一下原子能。跟大家想象的不同，核电站不是原子弹，燃料里面99%不会裂变，只有1%左右才能够产生核反应。换句话说，产生核能量的材料已经被稀释了100倍。同时，别忘了之前说过的，核能密度是化学能的200万倍。所以，稀释了100倍之后，还是化学能的2万倍。也就是说，一公斤以铀238为主的，不会核爆的燃料，它所产生的能量，还能相当于2万公斤汽油。

但是，目前的核电站都是庞然大物，怎么可能缩小到汽车上？更不要说到手机电脑上。除了微型化的挑战，还有一个去热化。现在的核电站，主要靠中子产生热，然后用来加热水。所以，核能源的转换方式，竟然还是两三百年前的蒸汽机模式。有没有可能找到别的方法？无论如何，如果能够把核能用到汽车上，即相当于目前2万倍的能量密度，你的电动车这辈子就不需要再充电了，可以随便行驶。之后还可以传给儿子，传给孙子。听上去好像天方夜谭，但是科学告诉我们，这事完全可能。

10，既然谈到能量，也应该顺便谈及与能源密切相关的材料。首先是最近新出现的所谓室温超导材料。这个事情很有可疑。热力学不是告诉我们，海水不可能自发的自己分离。那么超导也一样，尽管是一种非常特殊的物理现象。要做到它，必须要低温，需要花很大的能量维持低温。或者是很高的压力，这也需要能量。你现在告诉我们，只要搞对了配方，在锅里炒一炒，炉子里烧一烧，居然就有这么好的事情，既不要低温，也不要高压就可以超导？事实上，他们根本没有获得零电阻，完全抗磁等这些最基本的东西，虽然这几位仁兄勇气可嘉。

而纳米材料则常常被人称为大忽悠。当初似乎是为了解决摩尔定律的终结，就是目前的硅半导体通过光刻小到不能再小的时候怎么办。但是现在常常变成了什么纳米洗衣粉之类。下面的3D打印也有挑战。力学性能往往不行。这也是纳米科学真正该发力的地方。而非那些浪费资源的，尤其是那些科学边界之外的东西。

与之相关的能量效率问题，很少提及。大家用激光早就习以为常，殊不知一般激光器的效率远比普通的光源要低。因为激光是人为的。自然界中，一般是能量高的地方粒子数少，而激光恰恰需要反过来，要做到粒子数反转。就是要在高能量上分布更多的粒子，跟自然界作对。但需要付出昂贵的代价，因此它的能量效率很低。所以，这个3D打印几乎是一个少慢差费的事情。不值得大家一拥而上，盲目扩张。

光刻胶当然芯片制造有关。但是，大家可能没有意识到的是，不但科学的原理，而且相应的方法，大都是公开的。所以，我们必须再一次重复，当你做任何事情，都从源头出发的时候，就会发现，基本不存在被卡的可能。

11，显然，除了科学，我们还需要其他支持，比如金钱。作为对照，我们看一下美国的情况。作为世界第一的纽约股市，及第二的纳斯达克，规模大概都在20万亿美元左右。此外还有许多风投机构。在某段时间内，可能是一年吧，大概能有10来万的申请。最后被投的大概只有1~2千。其中，百分之三四十会在一年之内完蛋；另外30%不死不活，还撑着也没赚钱；还有百分之二三十是盈利的；还有不到9%最后可以成为上市公司。当然，不是说美国就一定好，只是目前全世界创新最强而已。无论如何，不要老指望，今天给你1千万，2-3年之后要达到1亿的销售。除非不涉及到任何创新，把一个成熟的苹果直接拿过来。

12，作为科研创新的阶段性标志，这是美国搞出来的技术成熟度。一个东西从新概念到能够出产品，大概有那么9个层次。显然，科学原理的研究一般是原创的开端。然后是第二到第九各个层次，之后可以生产。这张片子是从我的一个老朋友借过来的。其中有个细节；第一与第二层次一般在实验室中进行；而到了第三步就应该纳入研究中心或者研发中心。

各位的研发中心里，有几样东西是处于第三第四第五层的？如果我们的研发只是做所谓的逆向工程，那就无法超车，无论哪种轨道。同样的道理，如果风投只考虑第九层次，那只能叫投机，不叫风投。当然也有正面的例子，据说目前已经成为巨头的企业，当年第一笔投资就来自华尔街。这个重要性不言而喻，否则，再好的想法，风投只投第九层，政府只投第七第八层，那么谁来做第一到第六呢？

13，作为小结，向各位介绍一本有关科研创新的免费小册子。已被登在科学网上，可以百度我的名字，加科学网。该书试图从科学研究的本质出发，“居高临下”地阐述科研创新的方方面面，尤其是如何找出科学问题。本书共分五章，及两个附录。第一章主要讨论科研的实质，以及由此带来的基本问题，包括新知识的传播，科学问题与工程问题的区别。第二章为本书核心，提出了极具操作性的科学问题三个判据，及其连带的文献阅读和重复前人工作之必要。 第三章进一步讨论寻找科学问题的方法，如何“居高临下”地看问题，以及连带的知识碎片化问题。第四章描述了科研的一般步骤，以及原创程度的高低。第五章涉及一些科研中常用的策略，以及如何巩固基础知识。附录 1 复述了科研创新的四项基本原则，及与之相联的一些观察与 结论。最后，作为整个科研过程的总结，也是科研创新的最后一关，附录 2 给出了一整套撰写科研论文的规则，模版与一些具体实例。