關于基礎理論創新的思考

劉仁志

0 前 言

2023年2月22日晚，中央電視臺《新聞聯播》播出一則關于中共中央政治局集體學習加強基礎研究的新聞。這則頭條新聞對一直關注基礎理論創新的科研工作者們而言，無疑是一條重磅消息，具體內容如下：

“中共中央政治局2023年2月21日下午就加強基礎研究進行第三次集體學習。中共中央總書記習近平在主持學習時強調，加強基礎研究，是實現高水平科技自立自強的迫切要求，是建設世界科技強國的必由之路。各級黨委和政府要把加強基礎研究納入科技工作重要日程，加強統籌協調，加大政策支持，推動基礎研究實現高質量發展。

當前，新一輪科技革命和產業變革突飛猛進，學科交叉融合不斷發展，科學研究方式發生深刻變革，科學技術和經濟社會發展加速滲透融合，基礎研究轉化周期明顯縮短，國際科技競爭向基礎前沿前移。應對國際科技競爭、實現高水平自立自強，推動構建新發展格局、實現高質量發展，迫切需要我們加強基礎研究，從源頭和底層解決關鍵技術問題?！?/p>

在學習會上，習主席作了重要講話，他指出：“要強化國家戰略科技力量，有組織地推進戰略導向的體系化基礎研究、前沿導向的探索性基礎研究、市場導向的應用性基礎研究，注重發揮國家實驗室引領作用、國家科研機構建制化組織作用、高水平研究型大學主力軍作用和科技領軍企業‘出題人’‘答題人’‘閱卷人’作用。要優化基礎學科建設布局，支持重點學科、新興學科、冷門學科和薄弱學科發展，推動學科交叉融合和跨學科研究，構筑全面均衡發展的高質量學科體系?！贝送?，習主席還特別提出，“實施差異化分類管理和國際國內同行評議，組織開展面向重大科學問題的協同攻關，鼓勵自由探索式研究和非共識創新研究?！?/p>

習主席最后強調：各級領導干部要學習科技知識、發揚科學精神，主動靠前為科技工作者排憂解難、松綁減負、加油鼓勁，把黨中央關于科技創新的一系列戰略部署落到實處。

這些具體而精準的戰略決策，高瞻遠矚，鼓舞人心，令人感慨萬千而又躍躍欲試。特別是“鼓勵自由探索式研究和非共識創新研究”這句話，對解放思想和促進基礎理論的科學探索具有重要意義，同時也是對民間科學家的一種極為重要的肯定。這一政策的出臺，緩解了一度困擾民營企業科技人員基礎理論創新工作缺乏平臺支持的難題，使民營企業科技人員有望在國家科研機構建制化組織的平臺，就基礎理論創新問題與國家機構科研人員一起協同攻關，發揮自己的才能，為國家科學基礎理論的強化做出貢獻。

事實上，此前中國科學院已在這方面做出了表率。筆者作為民營企業科技人員，有幸作為中科院學部咨詢評議項目“我國電子電鍍基礎與工業的現狀和發展”課題的成員（顧問），參與了中科院學部“高端電子電鍍技術”課題的咨詢評議工作。且在課題完成后，還參與編撰了《中國科學院院士建議》。建制內因為編制和年齡等條件的限制，民間科學家很難有機會參與到國家科研項目中?！邦檰栔啤弊鳛橐环N建制創新，很好地解決了這一問題。在這一制度下，民企科技人員可以以技術顧問的身份，參與到建制平臺的工作中。建立“獨立顧問”或設立“顧問委員會”，已經逐漸成為一些科研和管理平臺常用的加強組織作用的舉措。筆者也經常會被一些科研機構和企業聘為顧問或在大學兼職和講學。這種開放的平臺，為各行業專家在各自擅長的領域為社會做貢獻提供了機制保障。

但不得不承認的是，在基礎理論探索方面，民間人士提出的相關課題和觀點，特別是“非共識”理論，極少能被業界同僚認同。據相關資料表明，一些民間人士自費出版的與理論物理有關的新觀點的著作，鮮有人問津。誠然，基礎理論的研究確實存在一定門檻，對研究人員的身份、地位、學歷等都有一定的基本要求。而民間人士在這方面往往存在較為明顯的短板，因此，他們的課題常常在初審階段，就會被直接“扔掉”。即便是一些有一定知名度的專業人士，倘若其研究課題不是本人的專業領域，而是跨學科涉入的基礎理論研究，也往往得不到支持。尤其是在一些有“定論”和權威理論的領域，這些民間科學家提出的“非共識”創新理論，常常會被當成“另類”而無法進行更深一步的討論和研究。因此，在推進基礎理論創新時，既要強調國家科研機構建制化組織的作用，同時也要注重非建制科研人員的作用，根據實際情況制定具體的措施并加以實施。中共中央政治局帶頭加強基礎理論的學習，提出新的理念和舉措，為面對當前競爭激烈的國際環境和復雜形勢，調動全民科技力量，打牢國家科學理論基礎提供了強大推動力。

1 基礎理論領域面臨的挑戰

科學基礎理論從大的方面可以分為兩大類，一是自然科學理論體系，一是社會科學理論體系。這兩大體系又各有自己的分支，尤其是自然科學體系，僅物理一系，就有各種各樣的分支。其中，理論物理學是所有物理學的基礎?；瘜W、生物學等也都有許多分支，跨學科間的交叉融合與學術碰撞，帶來了許多創新與變革。在當今數字化和智能化的時代，大量科技創新的新產品、新工藝和新材料涌現出來，由此而引發了一系列難以用傳統理論解釋的問題，這時就需要基礎理論創新來予以闡釋和解決。社會科學的理論創新也很迫切。在世界巨變的形勢下，社會形態和意識形態面臨著諸多重大挑戰，這些都依賴社會基礎理論予以詮釋和解讀。特別是我國創新型社會主義制度下的一些理論問題，更需要有創新理論的支持。

關于這兩大體系中的基礎理論問題，既需要有人提出并解答，也需有一個平臺來評判答案。同時，對提出的問題和回復的答案，還需有建制平臺予以響應。倘若沒有相應平臺的反饋，沒有進一步的討論和研究，就簡單地排除和封存，理論創新就會變成空談。

筆者長期從事于電化學應用工藝領域，經過多年的努力學習和工作，在這個專業領域取得了些許成績，并發表了大量技術論文和出版了幾十本專業著作。由于長期在生產和科研一線從事具體工藝課題的研究工作，親身碰到到過許多工藝問題，這些問題的起因解釋及解決方法都涉及到電化學基礎理論。特別是微電子產品制造包括芯片制造中遇到的電化學沉積的問題，用經典共識理論去分析，很難找到較為合理的答案。

2019年，筆者在《表面工程與再制造》發表了“談談量子電化學”一文[1]。這是首次在正式出版的行業類專業期刊上介紹了量子電化學理論。這一理論的創新應用很好地解釋了關于電子電鍍技術是芯片制造不可或缺的技術的問題。

通過將“量子電化學”理論引入到電化學沉積即電鍍領域中，可以很好地詮釋電化學應用中的一些基礎理論問題?！傲孔与娀瘜W”理論對金屬電沉積過程做了量子化的詮釋，定義了電鍍過程是原子級別的增量制造過程，從而很好地解釋了在納米級芯片線槽內，只有電鍍結晶才可以實現填充并完成芯片內集成電路互聯的過程。當前，高端電子制造離不開電鍍技術的支持，這使得在完善和加強芯片制造全產業鏈的各個環節中，電子電鍍技術逐漸得到了人們的重視，今年第2期的《中國科學院院士建議》就是一個很好的證明。在此基礎上，筆者還撰寫了《量子電化學與電鍍技術》一書[2]，同時修訂再版了《電子電鍍技術（第二版）》和《整機電鍍技術》，在電化學應用領域做出了一些探索。這些并不是終點，而只是一個新的領域的起點。

2 一個“非共識”理論的例子

這個新的非共識理論屬于分子生物學領域，可以暫時稱之為“量子生物電化學”領域[3]。這不是心血來潮推想的概念，而是在幾個方面持續關注而引申的結果。再加上新冠病毒的全球性流行事件中的病毒行為學方面的問題，更催生出這樣的一種思考。

這幾個方面主要包括：一個是前面已提過的電化學領域；另一個則是2019年出版的《光子信息》一書介紹的領域[4]，關于物質自組裝過程的猜想。通過元素的形成和應用聯想到物質會由簡單向復雜進化及自組裝行為等問題的思考，這些均屬于基礎理論問題。物質進化到高級形式就是生命，這就涉及到了生物學。生物進化論是公知的理論。而細菌和病毒則是微生物學領域研究的范疇，它們的進化（變異）的特征及遵循的機理或進化過程中涉及的生物信息收集和傳遞，都是值得研究的課題。生物信息的研究通常被認為是一個成熟和共識的基礎研究。生物電化學是這個研究領域中最基本也是最重要的理論。至于《生物信息學》，則是以計算機生物信息庫為載體的學科體系，大學設有相關專業課程，同時也有大量直接以此作為書名的著作[5]。但是這個領域內的大部分書籍主要并非描述生物體內的信息（例如神經信息傳遞、生物電傳導等）和生物體個體與群體之間的信息發布與接收等方面的問題，而是講述生物信息的收集與電子計算機的處理與應用等。當新的問題或新的現象出現時，這些經典生物學理論往往就不能給出具有說服力的解釋了。筆者在2019年和2020年的《表面工程與再制造》雜志上提過這個全新領域的問題，詳細內容可見2019年發表的《表面電位與生物電》[6]和2020年發表的《膜電位的本質》[3]。

微生物學和分子生物學以及現代醫學一直都采用生物電化學理論來討論和研究相關問題，其中一個重要的理論就是細胞膜內外離子遷移引起的“生物電”電位的變化，我們可以簡稱為膜電位理論。膜電位的變化對應一定的生理變化，這可以用來檢測人體相關部位“生物電”發生變化對應的組織異常狀態。例如腦電圖和心電圖等，都能較好地反映出相應部位組織病變產生的不正常電位波動。而這些電位變化是由細胞內離子的遷移發生變化引起的。研究表明，產生膜電位的重要離子主要有Na+、K+和 A-離子（帶負電荷的細胞內的大蛋白質分子，僅存在細胞內，且膜對它無通透性）。其他離子，如Ca2+、Cl-、Mg2+等離子在大多數細胞中對電位無直接貢獻。

2018年12月19日，顏寧教授應邀訪問山東大學青島校區，并作了題為“電信號是如何產生的？導航通道的結構和機制研究”（How is electrical signal generated? Structure and mechanistic investigations of Nav channels）的學術報告[7]。她在報告中指出鈉離子電壓門控通道在興奮性細胞中參與維持靜息電位和動作電位的發生，與正常的生理功能調控以及疾病的發生密切相關。顏寧從鈉離子通道的結構入手，首先解析了細菌中的鈉離子通道NavRh的結構，隨著冷凍電鏡技術的革新，進一步解析了真核生物蟑螂和電鰻的鈉離子通道結構，以及人的Nav1.4通道的結構；分享了在解析人的Nav1.4通道的結構中遇到的瓶頸和解決思路，重點談到優化膜蛋白Nav1.4的蛋白性質和解決冷凍電鏡樣品制備中蛋白變性問題；修正了傳統的鈉離子通道活性調控的“Ball and Chain”模型，提出了變構阻斷機制。

顏寧教授科普的這個問題，正是我們需要進一步探討的問題，即生物電信號是如何傳遞的。

生物電的研究可以追溯至伽伐尼醫生著名的青蛙實驗，距今已有兩百多年的歷史。目前，人們大都接受了生物電的概念，但生物電在體內的傳導方式一直都沒有一個明確的說明。生物體，特別是動物，是一個極為復雜的電解質體系，基于此，用離子導電理論即電化學理論來探討生物電問題逐漸成為共識，并在此基礎上建立了完整的理論體系。當前，人們普遍認為生物電信息的傳導方式是離子傳導，且這個理論已在現代生物學特別是醫學領域的上廣泛應用，效果顯著。但是，用這個理論來研究生物電傳導會有一定的局限性，其中的兩個重要的問題是：一個是生物電信息在個體內傳導的速度問題；另一個則是生物群體之間生物電信息傳導的問題。生物群體間信息傳導的研究在生物學中沒有放在“生物電”層面進行探討，而是作為生物行為學的內容進行研究。舉個簡單的例子，用氣味、聲音、動作等在群體中傳遞信息是各種動物常見現象，至于人類則有更為高級的信息傳遞體系。但是，就生物電信息這個重要的概念而言，如何在群體之間傳遞，用離子傳導理論無法完全解釋清楚。一種可能的研究方向是探究生物電磁波存在的傳導機制，即將量子電化學應用到生物電化學中來，而這也正是筆者目前極力探究的方向。

鑒于此，筆者希望通過《表面工程與再制造》這個專業而權威的媒體平臺發出呼吁，希望有資源的體制內平臺重視這方面的問題，并部署相關的研究課題。這將是原創性和前沿性的課題，目前可參考的資料較少，需努力地探索，特別是在研發新的生物電磁波接收裝置方面將會困難重重，但卻極富挑戰性和吸引力的。

期待這個創新課題能得到相關平臺或科研團隊的積極響應。