從能源戰略到思維改變
從能源戰略到思維改變
日期：2013-10-09 作者：郭愛克;錢旭紅;翁史烈 來源：文匯報
習近平總書記在最近一次中央政治局學習會上強調，要敏銳把握世界科技創新發展趨勢，抓住新一輪科技革命和產業變革趨勢，切實把創新驅動發展戰略實施好。在前不久召開的上海市科協第十一屆學術年會開幕式上，翁史烈、郭愛克、錢旭紅三位院士分別從能源發展戰略、腦科學研究和改變思維等角度，從不同側面回應了科技界和全社會關心的創新熱點話題。本刊特選摘其中精華，以饗讀者。
――編者
中國能源現狀和發展
翁史烈
四個能源替代方向
我們國家能源的實際情況是一次能源的人均占有率很低，就以煤這個一次能源來講，雖說我們是煤炭大國，但我們的人均擁有量連世界上的平均水平都不到。如果世界水平是100的話，我們僅是80。盡管如此，我們能源消費以煤為主的結構，短期難以改變。我們曾經花了很大力氣，前些年控制在66%，但是后來幾年又反彈。以煤為主的能源結構決定了巨大的環保、生態環境壓力，特別是哥本哈根會議以后。
考慮中國能源下一步怎么走，首先要看得遠一點。2050年以后大概有四個能源替代方向應納入我們視野。
一個是核裂變，預計到2050年左右，我國參與的國際上第一座商用核聚變電站可以示范性應用，如果這個突破的話，它的燃料就不是鈾了，而是氘和氦3，這個資源非常豐富，大概用幾千年、幾萬年沒有問題，這是國際社會正在努力的方向，但困難很大。第二個天然氣水合物，即所謂的可燃冰，這種物質分布很廣，前景很好，但是開采的難度很大。第三個是空間太陽能發電，即空間獲得的電能，通過微波或激光等多種方式傳到地面。最后一個是氫能，氫能在未來的能源構成中會占一個主要的地位，但是需要進一步解決制氫、儲氫等問題。上述任一方面的突破，都會使能源戰略發生根本變化。以上幾個能源替代方向我們現在開始就應該非常重視，特別是基礎和應用基礎研究，要抓緊不放。
最近30年，我認為我們能源需要應對的主要課題，一個是煤炭的清潔化和高效利用，必須要踏踏實實的做，不管你喜歡不喜歡煤，很多有價值的東西都是從煤里面提煉出來的。其次是能源結構多樣化，在多樣化過程中，可再生能源要逐步從輔助走向主流。第三，要提高能源系統的總效率，包括一次能源的采集、轉化，一直到終端利用，我國能源系統的總效率很低：現在我們一次能源的采集效率是30%～40%，一次能源轉化成熱能、機械能的效率約為40%，此外還要考慮終端利用的效率，因此總效率僅在10%左右，也就是說90%都浪費掉了。由此來看，我們能源系統總效率提升的空間非常大，必須要花更大的力氣。第四不僅僅要節流，還要開源，要積極開展能源外交，重視非常規油氣開采，實施能源總量控制等。
能源領域兩大熱點
目前國際能源領域有兩個熱點，一個是非常規油氣開發，一個是燃氣輪機。
什么叫非常規油氣資源，就是不能用常規的辦法進行勘探、開采的油氣資源，主要是四種：致密油氣、煤層氣、油砂和頁巖氣，現在最熱的是頁巖氣，之所以熱是因為美國頁巖氣技術成功開發，而且大規模的應用，這樣大幅度增加了美國本土天然氣的供應。這是一種非常大的變化，常稱之為“美國頁巖氣革命”。在這樣的格局下，我們必須要考慮，我們國家怎么辦，這是一個非常現實的問題。
美國能源信息署據英國石油公司等諸多國際知名企業提供的數據，繪制了全球頁巖氣盆地及儲量最多的11個國家的分布圖，以儲量來看，排在前幾位的分別是中國、美國、阿根廷、墨西哥。
那么接下來，中國能不能復制美國的頁巖氣革命，很多專家都發表了意見，歸納起來大概是兩種意見，一種認為美國的頁巖氣革命在中國沒有辦法復制，因為兩個國家地下的情況跟地上的情況都不一樣。有專家進一步分析，頁巖氣開發最關鍵的是打水平線，然后通過水壓力閥把高壓水打進去，把頁巖壓碎，壓碎以后油和氣才會出來。這種作業方法在中國不適合，因為我們西部缺水，不可能有那么多的水資源給你利用。即使在水資源充分的東部地區，作業過程中也會導致污染地下水的問題，這個問題美國也在檢討。國內還有一派意見，認為盡管有困難，我們還得上。
我個人的觀點，我國頁巖氣發展面臨的挑戰是比較嚴峻的，一個是勘探的程度低，資源可采出儲量數據是否可靠，要由時間來證明。第二個我們的風險、技術難度大，美國的技術我們不能照搬。第三環境壓力大，無論是否有足夠的水資源可供利用，還是對地下水的污染，都值得深入研究。
能源領域的第二個熱點是燃氣輪機。有一種說法，如果說裝備制造作為一個皇冠，燃氣輪機就是“皇冠上的明珠”。為什么？因為燃氣輪機是高科技的集成，而且經濟社會發展、海陸空都需要。燃氣輪機跟蒸汽輪機聯合使用叫“燃氣-蒸汽聯合循環”，這是所有熱力發電機組中效率最高的，可以達到60%甚至更高，這樣一個技術對我們能源安全舉足輕重，所以國家已把燃氣輪機列入重大專項。
美國已在研制下一代熱能轉化裝置，該計劃要求采用最前沿的技術，在以煤為燃料的條件下，做到高效率和零排放，應該說，這是一個非常吸引人的目標，特別對中國這樣的產煤和用煤大國而言，核心部分還是燃氣輪機。估計到2020年的時候，燃氣輪機內渦輪葉片要能承受住1700℃左右的高溫，在這樣的溫度下要能高速旋轉做功，這對材料、工藝的要求都是十分嚴峻的挑戰。最近十年通過市場換技術等方式和跨國公司合作，國內現在在加工水平、制造技術等方面都大大跨進了一步，但教訓是：市場化換不來關鍵技術。所以燃氣輪機的自主研發是必然的選擇，對上海來講這是非常好的時機。
上海理應為燃氣輪機發展作貢獻
前些年我們燃氣輪機搞不上去有體制機制上的，也有技術和人才方面的問題。體制創新是燃氣輪機國產化的重要保證。我們通過體制改革要形成責任主體，建立舉國體制，它能夠舉全國之力，堅定、高效、科學地保證國家意志的實現，又能為燃氣輪機的市場改革奠定基礎；新體制要有很強的管理能力善于把復雜的問題作科學的分解，化整為零，逐一突破；同時又善于把分散的成果綜合集成，形成一個整體的輝煌；此外，新體制要有人才高地的支撐，資金保障和國際合作的能力。技術創新是燃氣輪機國產化的關鍵，我們將會面對高溫部件材料工藝以及整機、部件的設計、試驗技術等方面的嚴峻挑戰。上海有發展燃氣輪機很好條件，首先上海電氣集團是國家三大動力基地之一；其次，上海有燃氣輪機產業的上游和下游完備的產業鏈；再次，上海有產學研綜合的人才高地。我衷心希望上海能為我們國家未來燃氣輪機發展做出應有的貢獻。
創新源于改變思維
錢旭紅
什么是思維？我們通常講的思考，是Think；思維Thinking，是指思考的過程和方法；而思想Thought，是指思維的結果和論斷。中華民族具有極高的智商，智商哪兒來的？肯定和人的大腦有關，來自人的思維和精神。
智商高、并曾數度文明領先的中華民族，在歷史上至少有3次失速（反映在我們GDP增長的放緩上）。這也告訴大家，物質豐富代替不了人格的升華，而精神萎靡和思維的禁錮必將帶來日后的饑荒。
有多少人熟悉量子思維
郭愛克院士談到大腦的抉擇機制讓我們很受啟發，很多事情可以用大腦來解釋，但是還有一部分很難解釋，比如冥想和打坐。科學已經無數次證明其可以明顯改變一個人的自我控制能力，對成績、幸福的感受也發生很大變化，這個用現有的腦科學很難解釋，是不是可以用量子力學解釋呢？
近代與現代思維和文明的分水嶺，來自量子思維與經典牛頓思維的差異。前者強調互變、測不準、差異、靈活、離域等特點，自1900年問世，帶來了今天的許多現代文明，如信息技術等；而后者強調機械、精確、定域、因果、被動、計劃等特點。前者是對后者的重大革命或者沖擊，而我們古人的禪修思維則與前者具有一定的相近性。然而今天，我們究竟有多少人熟悉量子思維？
古希臘與古中國思維的差異，可從學科專業的人為分類上體現出來，這兩種路線，在中西的表現和影響延續至今。大英百科全書之類的學術典籍問世的時間遠遠遲于我國明朝永樂大典等文獻，可見歷史上我們曾經領先。我們古代學科按照關聯整體而劃分，談植物學能夠談到地理學，由地理學談到哲學和天文學，結果糾纏在一起；源自古希臘的西方學科劃分是分解-合成，所以不斷的細化分解與交叉融合成為發展趨勢。西方學科分類得以生存并延續到今天的原因是其依據邏輯原理衍生。而我們的學科就停滯在當時的狀態，沒有進一步往前走。美國物理學會首任會長十九世紀曾說，中國人知道火藥的應用已若干世紀，如果探索其原理，就會發展出化學、甚至物理學，但是因為只滿足于此，這個所有民族中最古老、人口最多的民族被認為是野蠻人。
中國人相信天人合一、萬物相連，這是我們的思維方式決定的，可能正是這種思維方式，使得我們有一種集群、統合的觀念，這種合成觀在古代中醫理論和實踐中有充分的體現，從而顯示出與現代(西方)醫學的差異性。而有無符合自然規律的形式邏輯原理，則決定了中醫和現代(西方)醫學兩者不同的命運。
邏輯原理在學科專業成長過程中，具有極端重要性，美國創造的化學工程學能給出啟示。歐洲曾是化學的發祥地，很多化學方面的奠基性著述均來自歐洲，而當時美國在這方面非常落后，但是美國人知其落后而另辟蹊徑，著重在工藝和操作層面上有所開拓，他們把過濾、蒸餾，這么一些簡單的操作發展成三傳一反原理，最后形成化學工程學，并直接指導工業，最終美國化工與制藥能力超越了以前的老師歐洲，并帶動化學超過歐洲。由此可見，學科專業的劃分沒有天經地義，關鍵是有否邏輯原理。
東西方思維為何存在重大差異
知識與學科演化可以解釋東西方思維何以會有重大的差異，東方是轉化，西方是分合，我們的思維方式里面認為一件東西可以解決所有的問題，比如說萬能鑰匙，我們拿一把刀可以當成裁紙刀、水果刀、切奶酪刀，這是我們的思維方式。西方是盡可能把所有的分解開來并加和在一起，就像瑞士軍刀，這個是開瓶的，這是剔牙齒的，這個是剪東西的。
就中西的思維差異及其影響，不能不提《易經》和《圣經》。
圣經認為人格化上帝的存在，是不變的真理。圣經對人們的思維壟斷造成黑暗的歐洲中世紀并帶來顛覆性的反抗，創造上帝的歐洲人最后開始了人性發現，開始文藝復興，最后傳授形式邏輯的“平面幾何”走向歷史舞臺，與圣經平起平坐，表明科學被解放了出來，導致了工業革命。平面幾何的框架結構衍生出了包括牛頓經典理學、熱力學、電磁學、數學，煉金丹當中發展出的化學等等。
易經是變經，它強調天人合一，萬物相聯，她影響中華文明兩千年，也影響了周邊國家。但易經的核心仍是它所謂的“以不變應萬變”。
因獨尊儒家而興旺的易經，稱得上是思維壟斷的起源，盡管易經帶來了很多的輝煌，帶來了我們很多重要的發明。但是它一統天下后就鉗制其他諸家學說，墨家的消亡、道家的衰弱、道教的興起、喬裝的禪修問世，與此不無關系。這種輿論和社會環境也使得近現代科學不可能在中國產生。
談思維和精神，首先得正確看待知識。其實任何知識都具有正負效應，知識多，學富五車，融會貫通，但反之也可能生搬硬套、僵化保守；早年培根講，知識就是力量，那是因為知識極度貧乏，一個人能看到的東西非常之少。以今天的認識看，知識都有邊界，如果不能深層次把握規律一定會失誤，最典型的熱脹冷縮的知識在一定的條件下是對的，但是對于水是錯的。所以知識只是對世界的認識，永遠不能代表世界本身。因此就需要自由思維來超越自己的局限。
自由思維和獨立精神
自由思維從哪兒來的？至少兩個，一個是形象思維一個是邏輯思維，如果一個人沒有形象思維，只有邏輯思維，這個人是不自由的，反之也如此。在形式邏輯和辯證思維這兩種邏輯思維中，中國強在辯證邏輯，弱在形式邏輯。我們的邏輯思維里多類比，少歸納，無推演，所以我們不具有德國和日本人的嚴謹和仔細，因為在我們邏輯思維當中，它已經被拿掉了。
西方的形式邏輯最先登陸上海，《幾何原本》經徐光啟介紹引入中國，但沒有幾個人知道。如果當時就得到重視，我們后面的命運就可能不一樣。正因為我們沒有基本的形式邏輯，忽略結構和功能關系，忘記功能是由結構決定的。鴉片和甲午戰爭失敗的根源可以追溯到形式邏輯的缺乏，那個時候英國、日本的經濟總量都遠遠小于中國，但是它們的結構比我們好得多。在中學，我們就在學平面幾何，難道我們僅僅是在學習如何測土方、丈量土地嗎？
發現、發明、創新不僅僅需要自由思維，還需要獨立精神。人們至少必須同時具有科學精神和人文精神，才能步入自由，正像人必須同時擁有感性的右腦和理性的左腦一樣。知識不等于精神！沒有了質疑，就沒有了科學精神；沒有了關愛，就沒有了人文精神。現在需要反省的是：如何才能使得我們民族基因中存在的高智商發揮出來。我們關心國土的疆域，如何保護我們國土疆域，但我們思考過我們文明的疆域嗎？我們考慮過我們思想的疆域、智慧的疆域嗎？
如今，我們太多的人不會思考、不敢思考、不想思考，互聯網上，簡單的復制和粘貼，正在造就新的年輕癡呆和四體不勤、僵化封閉的危險。
借科協學術年會這個場合，我主要是想和大家一起分享我對思維的理解及對改變思維重要性的認識，分析我們民族擁有什么，失去什么，剩下什么，還可以恢復什么，最終能為人類世界貢獻什么。想表達的一點就是，要從知識就是力量進化為“思維才是力量”，通過改變思維，尊重各種觀點并超越這些觀點，實現超越性的思維，這樣來改變你我，改變中國，改變世界。
大腦的抉擇機制
郭愛克
我們生活在一個充滿著不確定性的世界里。抉擇是指人或動物在風險或不確定性的條件下，基于知識或經歷權衡利弊得失，選擇何種策略，如何行動的過程。它是腦與認知科學領域的核心科學問題之一。大腦如何指導個體從多個備選方案當中選出最優并加以行動，這個問題神秘而有趣。生命本身就是不斷做選擇的過程，抉擇也是我們每時每刻都要遇到的問題。抉擇涉及到去或留的問題，涉及到生和死的問題，涉及到愛和恨的問題，涉及到戰爭與和平的問題。
“兩難抉擇”中的“趨利避害”
在生命體中腦的結構和尺寸是極不同的，人類的大腦，小鼠的腦和果蠅的腦的結構有很大的不同，但是都面臨抉擇的問題。抉擇對人來講涉及到神經經濟學的問題。在經濟學理論中，抉擇行為的核心是效用和價值。從這一意義上理解抉擇，即在不確定性條件下，通過估計各個沖突的選擇項可能帶來的收益和所要付出的代價，找到一個受益最大，代價最小的，并照此行動的過程。
我們的實驗室開創了果蠅“兩難抉擇”研究。我們首先在視覺飛行模擬器這個實驗系統上證明了果蠅可以學習識別視覺模式的多個線索，如模式的形狀、顏色線索等，用來指導視覺飛行定向行為，并在此基礎上設計了“顏色/形狀”的兩難抉擇范式。我們首次發現，果蠅根據顏色和形狀線索的相對權重，采取懲罰概率極小化策略，在兩種相互競爭的視覺線索之間，做出“趨利避害”的非線性的“勝者獨享”的抉擇，體現了“兩利相權取其重,兩害相權取其輕”的普適抉擇準則。一旦我們證明了果蠅可以學習、可以抉擇之后，馬上就面臨三個問題：它的哪一部分腦結構負責抉擇？其次，它怎么來做出對它有利的抉擇？進一步會問果蠅抉擇和我們人類的抉擇有什么區別？
科學家們研究猴子的抉擇。給一只猴子兩種果汁，一種它特別喜歡，質量好、但是給量少；另一種比較喜歡，但給量多，實驗猴能否在質和量中間做出抉擇。它也可能在質和量之間陷入糾結。它的S-型非線性抉擇曲線和果蠅的完全一致。舒爾茨及其同事發現，猴子抉擇是按照價值來取向的，這是由多巴胺編碼的。多巴胺是一種獎勵誤差信號，是不確定性的量度，與預測獎勵、檢測獎勵誤差的功能相關。如果沒有預期，猴子突然得到獎勵了，多巴胺神經元的放電活性是非常高的；獎勵有預期，也如實地得到了獎勵，多巴胺的活性就會大打折扣；如獎勵有預期，但是獎勵沒有發生，它的多巴胺的獎勵效應就會消退。
腦科學未來的研究目標
以下，我想給大家勾畫一下腦科學的發展趨勢。腦科學是研究腦與智力關系的科學，是研究人、動物和機器認知與智力的本質與規律的科學。我們人腦是智力演化最偉大的奇跡，它是我們靈性的家園。人腦是非常精細、非常復雜、非常優美、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類知識體系和文明的社會傳承。
腦科學的研究目標首先要理解腦，理解腦是怎么工作的；第二是要保護腦，盡可能使腦不要生病，腦是會生病的，衰老也是必然的，是“定時炸彈”，所以要保護腦；第三是要模擬腦，研發模擬人腦工作原理的人工智能系統。這三個方面的研究對于提高人類的智力和創造力都極為重要。
簡單回顧一下腦科學走過的歷程。上世紀初西班牙科學家拉蒙？依？卡哈爾(1906年諾貝爾生理學或醫學獎得主)是一位偉大的神經解剖學家，他創立了神經元學說，繪制了很多腦結構圖，美國有些研究所的墻上懸掛的不少是他繪制的神經元結構圖的作品；俄羅斯的神經生理學家巴甫洛夫也是腦科學發展中里程碑式的人物；偉大的雙螺旋結構發現者之一弗朗西斯？克里克，上世紀80～90年代，轉向研究大腦和意識機制研究。他曾經說過：“我們至今沒有繪制出人類大腦的連接圖，這是一件無法忍受的事情，沒有它就別指望能了解大腦是如何工作的”。這正是我想講的主題。當今的腦科學發展，正在從對神經系統的分子、神經細胞、膜電位等的微觀層面的研究，轉向更多地關注和研究大腦中密密麻麻的在介觀層面的神經連接圖譜及其功能。所謂神經聯結圖譜就是在突觸水平上完整地描述神經系統，以理解神經系統的功能。
腦結構的高度復雜性可以體現在這樣一些數據里：人腦有1011的神經元，相當于整個銀河系的星星數目。神經纖維展開的總長度達180000公里，可繞地球四周，“坐地日行萬里，尋天遙看一千河”；腦的神經聯結數為1015。腦的活動所產生的信息是真正的大數據。未來的腦科學必將是將基因組、蛋白質組、神經連接組、腦網絡組等進行有效集成和大規模會聚的大科學前沿，而且其發展每十年都會有很大的進步。國際上新一波的腦科學研究熱潮，源于2012年美國《神經元》雜志上發表的一篇文章，這篇文章提出，可以通過記錄大腦神經元的每個動作電位的活動，繪制腦活動圖譜。
今年春季，歐共體和美國分別啟動兩個腦研究計劃――歐共體的“人腦計劃”（這是一個已由瑞士資助多年的“藍腦計劃”發展而來的計劃）和美國的以研發創新技術來研究大腦為目標的“腦研究計劃”。腦科學最近幾年比較受人關注的進展，包括發展光遺傳技術，如用藍光可以控制大鼠腦部的活動；又如開發高時空分辨率的在體記錄大腦活動模式的成像技術等。
中科院在2012年11月啟動了“腦功能聯結圖譜”戰略性先導科技專項（B）。該項目根據腦科學發展態勢和最新技術條件，選擇幾種重要的腦功能（感覺、情緒、學習記憶、決策），力求完整地描述在正常生理狀態和病理狀態下，這些承擔重要功能的神經網絡聯結的構造和運作機制，并取得了一些進展。我的課題組最近發展了一種新型神經細胞雙色鈣成像技術，用于研究神經元之間、突觸前與突觸后之間在結構聯結和功能上的相互關系，并在果蠅腦中電鏡重構了將近60個神經元，研究成果發表在《美國科學院院刊》。
總之，腦科學或正在經歷著一場革命，或正處在重大突破性進展的前夜。
附件下載：