探索知識(shí)體系的邏輯與架構(gòu)

一、突破慣性思維模式為迎接新的科技革命，實(shí)現(xiàn)新的科研模式，應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)，我們迫切需要突破慣性思維。在新的科技時(shí)代，機(jī)遇多于挑戰(zhàn)。然而，在這個(gè)新時(shí)代，政府和科技界需要意識(shí)到，最為重要的問題也許不是經(jīng)常討論的投資與回饋。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在20世紀(jì)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)和改造自然的能力不斷提升，科學(xué)在向兩個(gè)極端時(shí)空尺度擴(kuò)展的同時(shí)，催生了許多新技術(shù)，特別是能源、材料、信息和生物技術(shù)的發(fā)展，從根本上改變了人類的生產(chǎn)和生活方式，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。然而，人們逐步認(rèn)識(shí)到，在人類可持續(xù)發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)、需要解決方案的同時(shí)，自然、工程、人類自身和社會(huì)科學(xué)中仍然存在很多用已有知識(shí)無法解決的問題，注重細(xì)節(jié)的還原論和關(guān)注整體行為的系統(tǒng)論仍然無法融合，不同層次之間和同一層次不同尺度之間的關(guān)聯(lián)仍然難以實(shí)現(xiàn)。這嚴(yán)重制約了人類可持續(xù)發(fā)展的能力，對(duì)自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)提出了挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，信息技術(shù)的進(jìn)步和知識(shí)體系的爆炸性擴(kuò)張，正在推動(dòng)新的科研模式的形成，學(xué)科交叉、融合也越來越成為取得新突破的主要途徑，科學(xué)的開放性和全球性已成為當(dāng)代科學(xué)的潮流。在這樣一個(gè)機(jī)遇大于挑戰(zhàn)的時(shí)代，世界各國(guó)都紛紛出臺(tái)各種重大研究計(jì)劃，重構(gòu)國(guó)家創(chuàng)新體系，努力增加科技投入。大家普遍期盼著一場(chǎng)新的科技革命的發(fā)生。為此，很自然地，各國(guó)科技界都呼吁政府增加科技投入，而各國(guó)政府也比以往任何時(shí)候都更期待科技界能夠?qū)萍纪度胗枰愿嗷仞仭Ｒ虼?，相關(guān)政產(chǎn)學(xué)研的關(guān)系越來越引起社會(huì)各界的關(guān)注，其復(fù)雜性似乎甚至超過了科學(xué)本身。增加科技投入、促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，當(dāng)然十分重要，但是，在這些議題之外，還有什么問題更為重要而尚未引起重視呢？筆者認(rèn)為，確實(shí)存在著忽視科學(xué)技術(shù)本身發(fā)展規(guī)律的問題，而這些問題或許更為關(guān)鍵，解決這些問題或許對(duì)應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)、加速科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和建立新的科研模式更為重要。比如：（1）知識(shí)體系及其缺失的環(huán)節(jié)：是否可在現(xiàn)有知識(shí)積累的基礎(chǔ)上，理清科學(xué)知識(shí)之間的邏輯關(guān)系和結(jié)構(gòu)體系，從而明確缺失的知識(shí)環(huán)節(jié)，優(yōu)化和完善現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的布局？（2）推動(dòng)科研新模式的行動(dòng)：面對(duì)大數(shù)據(jù)、開放獲取和科學(xué)全球化的發(fā)展趨勢(shì)，如何理性地引導(dǎo)和推動(dòng)新的科研范式的形成和發(fā)展，而不是被動(dòng)地等待？相應(yīng)地，知識(shí)體系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和科研范式的變化也會(huì)對(duì)各國(guó)創(chuàng)新體系的結(jié)構(gòu)和管理提出一系列新的要求，本文試圖擺脫慣性思維，探索這些問題。二、理清知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)和邏輯我們應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)地理清現(xiàn)代知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)與邏輯，并使科學(xué)知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)構(gòu)與邏輯及其相互之間的關(guān)系成為研發(fā)、教育布局的基礎(chǔ)。通過理清知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)和邏輯，我們可以將所有學(xué)科和科研領(lǐng)域組織成一個(gè)邏輯架構(gòu)，促進(jìn)學(xué)科交叉融合，可極大地提升科研效率，加快科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的進(jìn)程。自然科學(xué)與技術(shù)各學(xué)科和領(lǐng)域的研究對(duì)象包括自然界、物質(zhì)加工科學(xué)、生命科學(xué)、社會(huì)科學(xué)，等等。這些對(duì)象之間存在嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，所產(chǎn)生的知識(shí)和技術(shù)，理應(yīng)存在嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)和邏輯，此結(jié)構(gòu)和邏輯理所應(yīng)當(dāng)?shù)氖怯伤芯康膶?duì)象之間的結(jié)構(gòu)和邏輯決定的。然而，現(xiàn)有學(xué)科和領(lǐng)域的布局并不是基于這一固有的結(jié)構(gòu)和邏輯，而是在人們認(rèn)識(shí)十分局限的情況下，受一些偶然或人為的因素影響，根據(jù)所研究的具體問題進(jìn)行歸類而逐步積累演化而來，客觀上缺乏對(duì)整個(gè)知識(shí)體系的系統(tǒng)考慮。比如：基礎(chǔ)學(xué)科包括數(shù)、理、化、天、地、生，并又進(jìn)一步細(xì)化形成各種分支學(xué)科；應(yīng)用領(lǐng)域包括能源、材料、環(huán)境、信息等，以及進(jìn)一步專業(yè)化形成的分支領(lǐng)域；進(jìn)而又有不同學(xué)科和領(lǐng)域形成的交叉學(xué)科等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可定義的學(xué)科領(lǐng)域就有8530個(gè)。這些學(xué)科和領(lǐng)域之間缺少系統(tǒng)的邏輯，難以準(zhǔn)確反映各門知識(shí)之間的內(nèi)在關(guān)系。更應(yīng)引起重視的是，學(xué)科、領(lǐng)域及其分支的形成，盡管當(dāng)時(shí)有其積極的意義，但逐步也會(huì)在無形中形成與其他學(xué)科領(lǐng)域的隔離，不利于學(xué)科無縫交叉和融合。由此，我們有理由提出以下問題：各種各樣的學(xué)科之間的邏輯關(guān)系是什么？已積累的各方面知識(shí)之間是否有一定的規(guī)律？打破原有學(xué)科和領(lǐng)域的分類，按現(xiàn)有知識(shí)之間的邏輯關(guān)系勾畫科學(xué)技術(shù)的完整布局是否可能？現(xiàn)有知識(shí)體系中是否存在缺失的環(huán)節(jié)？如果缺失，可能在哪些方面？這些方面是否構(gòu)成現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題？這些是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)思考的十分重要的問題，可能比爭(zhēng)論投資與回饋更為重要。根據(jù)已有科學(xué)技術(shù)的積累，明確各學(xué)科和領(lǐng)域之間的邏輯關(guān)系，不僅有利于科學(xué)研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展和組織，有利于教育體系的構(gòu)建，也可促進(jìn)學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)相關(guān)學(xué)科的無縫融合，以最大限度地減少重復(fù)、促進(jìn)合作，同時(shí)將極大地促進(jìn)教育體系的重構(gòu)和交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)。從這個(gè)意義說，知識(shí)體系結(jié)構(gòu)和邏輯應(yīng)當(dāng)滿足的條件是：（1）相似性：科學(xué)知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)與邏輯要與研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)和邏輯一致，形成完整的體系結(jié)構(gòu)；（2）普遍性：最大限度地歸納共性、減少重復(fù)，有利于交叉和融合；（3）適應(yīng)性：將研究對(duì)象和知識(shí)體系的層次結(jié)構(gòu)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)重大需求有機(jī)統(tǒng)一，以便在知識(shí)體系的充分支持下更為科學(xué)地應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)。三、知識(shí)體系的多層次、多尺度屬性和介尺度復(fù)雜性我們需要重視知識(shí)體系的多層次、多尺度屬性和介尺度復(fù)雜性。物質(zhì)世界和人類自身的結(jié)構(gòu)及其中的邏輯關(guān)系表現(xiàn)為多層次結(jié)構(gòu)，每一層次又表現(xiàn)為多尺度的結(jié)構(gòu)，建立每一層次多尺度之間的關(guān)系和不同層次之間的關(guān)聯(lián)是現(xiàn)代科學(xué)的中心任務(wù)，其中每一層次的介尺度結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一中心任務(wù)的關(guān)鍵。因此，多層次、多尺度和介尺度將是一個(gè)完整合理的知識(shí)體系的顯著特征。如圖1列出的科學(xué)技術(shù)的研究對(duì)象有：自然界、人們?cè)诟脑熳匀坏倪^程中形成的物質(zhì)加工科學(xué)、認(rèn)識(shí)人類自身過程中形成的生命科學(xué)，以及認(rèn)識(shí)人際行為的社會(huì)科學(xué)。圖1科學(xué)技術(shù)研究對(duì)象的多層次、多尺度特征及介尺度復(fù)雜性英文單詞前綴“meso”源自古希臘的單詞mésos，意思是“中間”或“之間”。研究問題或過程的時(shí)候，我們通常將大量“單元”的群體當(dāng)作“系統(tǒng)”。系統(tǒng)還受到其與環(huán)境之間的邊界的影響。這里的“介尺度”不是指絕對(duì)的物理尺寸，而是個(gè)相對(duì)的概念，指的是任何介于單元尺度與系統(tǒng)尺度之間的尺度范圍。這種介尺度可以存在于不同的層次，因而具體尺寸可以十分多樣。物理學(xué)通常談及的“介觀”尺度僅僅是介尺度的一例，它是以原子、分子尺度為單元尺度，以塊體材料尺度為系統(tǒng)尺度時(shí)的介尺度。傳統(tǒng)的方法關(guān)注每一層次的單元尺度和系統(tǒng)尺度，而認(rèn)識(shí)這種多尺度問題的關(guān)鍵在于介尺度結(jié)構(gòu)，即介于單元和系統(tǒng)之間的尺度上表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)非均勻結(jié)構(gòu)，或來源于這類動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，是各領(lǐng)域共同的挑戰(zhàn)性問題。需要指出的是，介尺度過程不僅與所處的領(lǐng)域有關(guān)，還與同一領(lǐng)域所處的層次有關(guān)，如圖1所示。這是介尺度問題固有復(fù)雜性的根源。（一）自然界自然界的最小單元是基本粒子。在此之上，依次有強(qiáng)子、原子核、原子，不同的原子又進(jìn)一步構(gòu)成分子及宏觀材料或礦物，而不同礦物構(gòu)成巖石，又由巖石形成地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步由地質(zhì)單元構(gòu)成地球和各種星體，以此類推，構(gòu)成整個(gè)宇宙。因此，從基本粒子到宇宙之間存在多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)。由于知識(shí)的局限，不同層次就構(gòu)成了不同的學(xué)科，而不同學(xué)科之間的融合和集成卻十分困難。這一方面是知識(shí)體系本身屬性的自然反映，而另一方面，這種多層次的屬性又導(dǎo)致了層次之間的隔閡。在一個(gè)學(xué)科中作為“系統(tǒng)”來研究的對(duì)象，在其相鄰學(xué)科中則是“單元”，反之亦然。因此，對(duì)同一研究對(duì)象，所用術(shù)語和方法不同，學(xué)科可能差別很大，造成了學(xué)科之間的隔閡。這是科技領(lǐng)域中長(zhǎng)期存在的問題。雖然大家可能都意識(shí)到了，但關(guān)注不夠。（二）物質(zhì)加工科學(xué)同樣，改造自然的物質(zhì)加工科學(xué)也表現(xiàn)為多層次和多尺度的特征。對(duì)此，由于研究工作不斷深入，對(duì)其多層次、多尺度特征的認(rèn)識(shí)也更為明確。物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程涉及三個(gè)層次：材料、反應(yīng)器和生態(tài)環(huán)境，分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)加工研發(fā)的不同階段，即工藝創(chuàng)新、過程設(shè)備研發(fā)和系統(tǒng)集成。具體到每個(gè)層次，其內(nèi)部往往可分為單元尺度、介尺度和系統(tǒng)尺度。盡管三個(gè)層次研究的內(nèi)容和對(duì)象截然不同，并形成不同的分支學(xué)科，但卻具有以下共同的屬性：①三個(gè)層次均具有多尺度特征；②對(duì)三個(gè)層次涉及的邊界尺度(原子/分子、顆粒、單元設(shè)備和生態(tài)環(huán)境)，傳統(tǒng)理論研究已較為深入，并逐步形成不同的學(xué)科：化學(xué)、化學(xué)工程和過程系統(tǒng)工程；③對(duì)于三個(gè)層次中介于各自的邊界尺度之間的介尺度問題認(rèn)識(shí)十分有限，而這分別對(duì)應(yīng)于工藝創(chuàng)新、過程設(shè)備放大和系統(tǒng)集成階段的瓶頸問題，成為現(xiàn)代物質(zhì)科學(xué)和工程研發(fā)的焦點(diǎn)問題，也是取得進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。（三）生命科學(xué)生命體系也呈現(xiàn)典型的多層次、多尺度和介尺度結(jié)構(gòu)。盡管不同層次研究的問題、內(nèi)容與方法不同，但四個(gè)層次均具有多尺度特征：生物大分子層次包括氨基酸和核苷酸、二級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)、核酸等；細(xì)胞層次包括蛋白質(zhì)等生物大分子、許多分子(包括生物大分子和其他分子)形成的超大分子機(jī)器或(亞)細(xì)胞器和細(xì)胞；器官層次則由細(xì)胞、組織和功能器官組成；生命體層次則由器官、功能系統(tǒng)(如消化系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng))和完整生命體組成。對(duì)四個(gè)層次涉及的邊界尺度，即基本單元分子、生物大分子、細(xì)胞、器官和生命體，傳統(tǒng)理論研究已較為深入，并逐步形成不同的學(xué)科：分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、組織學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)。但對(duì)于四個(gè)層次中介于各自的邊界尺度之間的介尺度問題，認(rèn)識(shí)十分有限，分別對(duì)應(yīng)非編碼RNA、生物大分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞器調(diào)控、組織和功能系統(tǒng)中的瓶頸問題，成為現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研發(fā)的焦點(diǎn)問題，久攻不破。（四）社會(huì)科學(xué)社會(huì)科學(xué)是學(xué)科的一大門類，涉及社會(huì)及其中的人際關(guān)系，也表現(xiàn)出多層次屬性，如家庭、城鎮(zhèn)、國(guó)家等。每個(gè)層次上也包含多個(gè)尺度，并表現(xiàn)出介尺度復(fù)雜性。就是說，每個(gè)層次上的群體現(xiàn)象也是對(duì)應(yīng)分支學(xué)科的最具挑戰(zhàn)性的問題。在此不再詳細(xì)評(píng)述。（五）四類科學(xué)的共同屬性以上四類(見圖1)僅是具有代表性且易于理解的科學(xué)技術(shù)研究的內(nèi)容。事實(shí)上，還有很多內(nèi)容，雖然非實(shí)物存在，但也表現(xiàn)為多層次、多尺度的特征。比如神經(jīng)和認(rèn)知系統(tǒng)，再比如語言邏輯和結(jié)構(gòu)，等等。盡管這些具體對(duì)象存在差別，但其共性的特征是明顯的，即都包含了多層次的系統(tǒng)，每一層次又都表現(xiàn)為多尺度，即單元尺度、系統(tǒng)尺度及介于單元和系統(tǒng)之間的介尺度，而介尺度問題也是認(rèn)識(shí)多尺度特征的瓶頸。近年來的研究表明，多個(gè)層次的介尺度問題已成為實(shí)現(xiàn)各層次量化和對(duì)各層次進(jìn)行關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)性問題。所有的介尺度問題盡管呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性，但其共同特征是它們可能受共同的原理支配。這些共同的特征包括非均勻性、動(dòng)態(tài)、分相等?，F(xiàn)代科學(xué)分支一般是以一個(gè)層次為研究對(duì)象，不同層次之間的集成融合仍十分困難。在一個(gè)層次(或一個(gè)學(xué)科)上，現(xiàn)代科學(xué)對(duì)其單元和系統(tǒng)尺度關(guān)注較多，而對(duì)介于單元和系統(tǒng)的介尺度問題關(guān)注則很少。故而，人們往往被迫采用平均化方法來處理介尺度非均勻結(jié)構(gòu)。因而也產(chǎn)生了試圖關(guān)聯(lián)單元尺度和系統(tǒng)尺度的復(fù)雜性科學(xué)。然而，復(fù)雜性科學(xué)對(duì)層次性和每一層次的介尺度問題關(guān)注不夠，沒有認(rèn)識(shí)到介尺度上缺失的科學(xué)原理，這也就是提出介尺度科學(xué)的根本原因。四、實(shí)現(xiàn)技術(shù)體系與知識(shí)體系的融合知識(shí)體系與技術(shù)體系可以融為一體。廣義講，所有應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)和邏輯所涉及的科學(xué)知識(shí)范疇都是相同的，區(qū)別只是用這些知識(shí)解決問題的表現(xiàn)方式不同而已，因而也呈現(xiàn)多層次、多尺度和介尺度的特征，可與知識(shí)體系融為一體。具體技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的形成無一不是建立在前述各層次知識(shí)的基礎(chǔ)之上，并在發(fā)展中為知識(shí)體系的形成提供從具體問題中歸納出的共性規(guī)律?？茖W(xué)與技術(shù)的界限越來越模糊正是這一屬性的結(jié)果。依據(jù)研究?jī)?nèi)容，我們可以大致把與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的科技領(lǐng)域，如能源、材料、信息、地球與氣候、生命與健康、農(nóng)業(yè)、空間等(當(dāng)然，可以有不同的歸納，但并不影響我們分析知識(shí)與技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)系)，歸于多層次的知識(shí)體系。每個(gè)領(lǐng)域，在發(fā)展過程中都涉及上述多層次、多尺度的知識(shí)，只不過應(yīng)用知識(shí)的對(duì)象有所差異而已。然而由于認(rèn)識(shí)的局限，長(zhǎng)期以來，這些共同的基本規(guī)律的研究稱為基礎(chǔ)研究，而應(yīng)用知識(shí)解決具體問題的研究稱為應(yīng)用研究。現(xiàn)在看來，這樣的區(qū)分不利于各領(lǐng)域的交叉，也不利于知識(shí)體系的融合。可以相信，隨著知識(shí)體系完整性的提升，這一區(qū)別將逐步淡化。結(jié)合上述兩節(jié)討論的內(nèi)容，考慮現(xiàn)有知識(shí)和自然界的多層次、多尺度屬性，就形成了知識(shí)體系和應(yīng)用領(lǐng)域之間的關(guān)系，也就是科學(xué)技術(shù)的布局，如圖2所示。其中，“緯”(同心圓)為知識(shí)，涉及基本粒子、分子原子、材料、工程、地學(xué)、空間、天文、宇宙等層次(這里的“工程”層次比其他層次更為廣泛，涉及各個(gè)領(lǐng)域)；“經(jīng)”(放射線)為技術(shù)，各領(lǐng)域橫貫各個(gè)層次的知識(shí)；中心區(qū)域是工具、理論、方法及通用知識(shí)(如數(shù)學(xué)、力學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等)。如此，按圖2的結(jié)構(gòu)和邏輯組織、部署科研，可望事半功倍。當(dāng)然圖2只是一個(gè)粗略的構(gòu)架，還需進(jìn)一步完善。事實(shí)上，不同人會(huì)有不同的組織方案，但圖2的構(gòu)架和邏輯不會(huì)有太大改變。圖2科學(xué)技術(shù)布局的概念模型五、填補(bǔ)現(xiàn)有知識(shí)體系缺少的環(huán)節(jié)我們需要填補(bǔ)現(xiàn)有知識(shí)體系缺少的環(huán)節(jié)。各層次的介尺度問題是知識(shí)和技術(shù)體系共同缺失的環(huán)節(jié)，而不同層次的介尺度問題又可能具有共同的規(guī)律，受統(tǒng)一的原理支配，彌補(bǔ)這一原理將引發(fā)科學(xué)和技術(shù)整體的變革性進(jìn)步。在前面敘述的多層次知識(shí)和技術(shù)體系中，每個(gè)層次里，大家關(guān)注較多的是該層次的單元和系統(tǒng)(邊界尺度)，研究眾多單元如何構(gòu)成系統(tǒng)并試圖將單元行為與系統(tǒng)行為相關(guān)聯(lián)。這種分層次的認(rèn)識(shí)，就逐步導(dǎo)致各種分支學(xué)科的形成。然而人們逐步地認(rèn)識(shí)到，各層次單元的行為相對(duì)較為簡(jiǎn)單，可運(yùn)用已有知識(shí)進(jìn)行描述；而多個(gè)單元之間相互作用，在很大程度上，決定了本層次系統(tǒng)(也是上一層次單元)的屬性十分復(fù)雜，用傳統(tǒng)的理論和方法無法解決。對(duì)介尺度問題的處理往往僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或僅基于假設(shè)：統(tǒng)計(jì)力學(xué)假設(shè)分布函數(shù)，流體力學(xué)假設(shè)本構(gòu)方程，天文學(xué)對(duì)無數(shù)星星、星系進(jìn)行粗?；幚淼取?duì)介尺度過程及其原理的忽視成為現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)一個(gè)缺失的環(huán)節(jié)，也是科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)重障礙。比如，工程中的很多問題都還依賴于平均化處理，忽略介尺度結(jié)構(gòu)；許多湍流計(jì)算、化工過程、氣象、氣候等工程應(yīng)用軟件采用的也是平均化經(jīng)驗(yàn)參數(shù)處理。有的學(xué)科甚至雖然涉及的是介尺度，但還沒有認(rèn)識(shí)到介尺度的重要性。許多名義上的多尺度研究實(shí)際上主要關(guān)注的是單元尺度和系統(tǒng)尺度，對(duì)介尺度關(guān)注不夠，忽略了介尺度上的重要支配原理。近年來，這種狀況有所改觀，但對(duì)介尺度的關(guān)注仍舊不足。至于不同層次的知識(shí)如何實(shí)現(xiàn)無縫融合，就更加困難。此外，更全面地看，處于兩個(gè)相鄰層次之間的邊界尺度實(shí)際上受到這兩個(gè)層次中的介尺度的影響，因而，只有充分認(rèn)識(shí)了這兩個(gè)介尺度，才能完全把握這個(gè)邊界尺度。就是說，有關(guān)邊界尺度的傳統(tǒng)知識(shí)也需要在認(rèn)識(shí)介尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)上加以更新。最近幾年，逐步從化學(xué)工程研究發(fā)展產(chǎn)生的介尺度科學(xué)概念，觸動(dòng)并引起了大家對(duì)這一問題的重視，更為重要的是，認(rèn)識(shí)到不同層次介尺度問題可能滿足共同的物理原理(控制機(jī)制在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào))和數(shù)學(xué)構(gòu)架(多目標(biāo)變分)。一旦這一概念得以確認(rèn)并發(fā)展成為一個(gè)跨學(xué)科的科學(xué)，現(xiàn)有知識(shí)缺失的環(huán)節(jié)將得以填補(bǔ)。這將有力地推動(dòng)各學(xué)科的進(jìn)步和不同層次學(xué)科之間的融合。因此，介尺度科學(xué)是一個(gè)十分值得各學(xué)科領(lǐng)域共同關(guān)注的前沿方向，應(yīng)當(dāng)屬于圖2的中心區(qū)域。在化工領(lǐng)域，我們已取得了一定的進(jìn)展：從早期對(duì)氣-固流態(tài)化系統(tǒng)進(jìn)行具體的介尺度建模[所謂能量最小多尺度(EMMS)模型]，逐步發(fā)展到提出主導(dǎo)機(jī)制在競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)這一可能的普遍原理(EMMS原理)。我們認(rèn)為，所有的介尺度問題或過程都主要受到至少兩個(gè)機(jī)制的主導(dǎo)。為方便討論，我們以兩機(jī)制主導(dǎo)為例，即假定“機(jī)制A=極值1”和“機(jī)制B=極值2”共同控制著系統(tǒng)的行為。此時(shí)，A機(jī)制主導(dǎo)和B機(jī)制主導(dǎo)的狀態(tài)以時(shí)空交替的方式并存。因此，系統(tǒng)的變分判據(jù)在物理上可以表達(dá)為主導(dǎo)機(jī)制在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)，在數(shù)學(xué)上表達(dá)為多目標(biāo)變分問題：服從守恒定律：Fi(X)=0,i=1,2,...,

m(m<n)其中，結(jié)構(gòu)參量X={x1,

x2,...,

xn}。隨著B的主導(dǎo)作用的相對(duì)增強(qiáng)(相對(duì)于A)，依次歷經(jīng)三個(gè)區(qū)域，如圖3所示(示例了氣-固流態(tài)化結(jié)果)，呈現(xiàn)出明顯不同的結(jié)構(gòu)。圖3隨機(jī)制B的主導(dǎo)作用增強(qiáng)(相對(duì)于機(jī)制A)，依次出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域（1）A機(jī)制主導(dǎo)：當(dāng)“A=極值1”起主導(dǎo)作用，而“B=極值2”受到抑制，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)幾乎完全由A控制，而機(jī)制B對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)幾乎沒有作用。（2）A-B競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)：隨著“機(jī)制B=極值2”相對(duì)于“機(jī)制A=極值1”主導(dǎo)作用的增強(qiáng)，往往存在一個(gè)臨界點(diǎn)，此時(shí)A失去相對(duì)于B的絕對(duì)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，必須與B協(xié)調(diào)。這導(dǎo)致A機(jī)制主導(dǎo)狀態(tài)與B機(jī)制主導(dǎo)狀態(tài)(此時(shí)的主導(dǎo)狀態(tài)未必是完全主導(dǎo)狀態(tài)，往往與兩個(gè)機(jī)制的相對(duì)主導(dǎo)性有關(guān)，如圖3中部的三個(gè)結(jié)果所示)在時(shí)空上交替出現(xiàn)，造成了系統(tǒng)在介尺度上動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜性。（3）B機(jī)制主導(dǎo)：當(dāng)B的主導(dǎo)作用達(dá)到另一個(gè)臨界值時(shí)，A完全受到抑制，而B得以充分實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)完全由機(jī)制B控制。雖然隨研究領(lǐng)域和具體系統(tǒng)的不同，由機(jī)制相對(duì)主導(dǎo)性的改變所導(dǎo)致的控制區(qū)域過渡的形式可能十分復(fù)雜、多樣，但上述“三區(qū)域”特征可能是普遍存在的。正是由于介尺度現(xiàn)象不僅與操作區(qū)域有關(guān)，還與研究領(lǐng)域、層次有關(guān)，所以探索其共性原理十分困難。為驗(yàn)證EMMS原理的普遍性，拓展其適用范圍，我們需要不同學(xué)科之間的交叉、融合，以尋找“競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)”原理的更多證據(jù)。通過考察不同層次的系統(tǒng)，可以闡明層次的影響；通過改變操作條件，可以驗(yàn)證操作區(qū)域的影響。一旦取得進(jìn)展，建立起介科學(xué)，我們有望解決不同領(lǐng)域的介尺度問題，推動(dòng)不同領(lǐng)域在理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方面的革命性進(jìn)步，如圖4所示。圖4大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、介科學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)與新科技模式的實(shí)現(xiàn)途徑之間的關(guān)聯(lián)由于現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性和多樣性總是出現(xiàn)在介尺度上，理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算應(yīng)當(dāng)都聚焦于介尺度現(xiàn)象，如圖4所示。首先，需要建立相關(guān)理論以表達(dá)介尺度上競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)原理，并通過多目標(biāo)變分方法求解多尺度動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。隨著來自具體問題的證據(jù)積累，介科學(xué)可能發(fā)展為一門交叉科學(xué)。其次，實(shí)驗(yàn)可以產(chǎn)生多尺度數(shù)據(jù)，利用介科學(xué)方法可以識(shí)別這些數(shù)據(jù)背后的主導(dǎo)機(jī)制，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行介尺度建模，這也有望為介科學(xué)的普遍性提供依據(jù)。第三，計(jì)算也可以依據(jù)介科學(xué)來進(jìn)行多尺度建模，通過實(shí)現(xiàn)邏輯、結(jié)構(gòu)的相似性來開發(fā)軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”。如果介科學(xué)建立起來，它不僅可以為揭示現(xiàn)象背后的機(jī)制發(fā)揮重要作用，而且可以提升模型的預(yù)測(cè)能力、計(jì)算速度，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)和新的科研模式的形成。六、提煉介科學(xué)共性原理只有通過研究具體介尺度問題，并注意其規(guī)律的普適性，才能獲得介科學(xué)的共性原理。也就是，從特殊到一般的歸納法。當(dāng)今我們所面臨的多數(shù)挑戰(zhàn)的實(shí)質(zhì)源于介尺度復(fù)雜性。由于這種復(fù)雜性的多樣性，直接推導(dǎo)出介尺度普遍理論可能不太現(xiàn)實(shí)。相反，我們可以通過研究具體問題，為揭示介科學(xué)共性原理積累充分的依據(jù)。根據(jù)以上分析，結(jié)合當(dāng)前各領(lǐng)域的前沿和難點(diǎn)，以下幾個(gè)問題是典型的介尺度問題。應(yīng)用介科學(xué)的概念(見圖4)將加速解決這些問題，他們的突破也將帶動(dòng)相應(yīng)學(xué)科和領(lǐng)域的重大進(jìn)展，并反過來為介科學(xué)提供具體的范例，有力地促進(jìn)介尺度科學(xué)的形成和發(fā)展。（1）光伏、光合、催化機(jī)理的突破：將推動(dòng)可持續(xù)能源和材料技術(shù)的革命，為應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供解決方案；（2）蛋白質(zhì)三維動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)過程這兩個(gè)層次的介尺度問題的認(rèn)識(shí)：將推動(dòng)生命和健康科學(xué)革命的發(fā)生；（3）湍流、氣象、氣候、工程、天文、宇宙復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)：將極大地提升可持續(xù)發(fā)展的能力，增加人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然和防災(zāi)減災(zāi)的能力；（4）神經(jīng)系統(tǒng)與智能科學(xué)：通過對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)多層次、多尺度信息傳遞和處理機(jī)理的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)認(rèn)知、腦、計(jì)算、智能科學(xué)的進(jìn)步；（5）超導(dǎo)、儲(chǔ)能(熱、電)、量子材料、功能材料設(shè)計(jì)：將帶來能源、信息、材料領(lǐng)域的重大突破；（6）材料設(shè)計(jì)、合成和規(guī)模制備：推動(dòng)工業(yè)現(xiàn)代化，特別是制造業(yè)的發(fā)展；（7）超級(jí)計(jì)算、智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)：將極大地提升人類認(rèn)識(shí)和改造自然的能力，開創(chuàng)科研模式的重大變革和生活生產(chǎn)方式的革命。此外，在圖2中更小和更大兩個(gè)極端層次上的介尺度問題的突破，比如，量子力學(xué)的進(jìn)一步深化，星系和超星系結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)等，也將從根本上推動(dòng)人們對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的深入。基于介科學(xué)的概念解決這些不同領(lǐng)域的問題，可以自覺地推動(dòng)學(xué)科交叉以三種方式(圖5)發(fā)展。圖5三種跨學(xué)科方式：跨越同一學(xué)科內(nèi)處于不同層次的子學(xué)科，跨越不同學(xué)科，跨越所有學(xué)科普遍存在的共同問題(NBIC表示納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)和認(rèn)知科學(xué))（1）跨學(xué)科方式1：跨越同一學(xué)科內(nèi)處于不同層次的子學(xué)科。本文探討的介科學(xué)概念已用于研究物質(zhì)加工科學(xué)中不同層次(子學(xué)科)的介尺度問題，比如材料層次的界面與材料結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器層次的氣–固流態(tài)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)非均勻結(jié)構(gòu)，氣–液系統(tǒng)，湍流；生態(tài)環(huán)境層次的過程集成超結(jié)構(gòu)。（2）跨學(xué)科方式2：跨越不同學(xué)科。研究前面列出的挑戰(zhàn)性問題涉及不同的領(lǐng)域。比如，對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)，不同層次介尺度上的動(dòng)態(tài)變化可能遵循與復(fù)雜流動(dòng)、關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等問題相同的規(guī)律，也就是，這些問題可能都與不同主導(dǎo)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)原理相關(guān)。（3）跨學(xué)科方式3：跨越所有學(xué)科普遍存在的共同問題。可以進(jìn)一步將學(xué)科交叉拓展到研究所有領(lǐng)域的共同問題，比如大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)，如圖4所示。如果不同學(xué)科和領(lǐng)域能夠聯(lián)合探討上述三種學(xué)科交叉方式，我們將會(huì)看到截然不同的科學(xué)技術(shù)態(tài)勢(shì)，即基于分享介尺度共性原理。該論斷可能有些唐突，但至少值得重視和嘗試。以發(fā)展介科學(xué)為目標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)原理(EMMS，見第5節(jié))采用的是不同于熱力學(xué)的思路。熱力學(xué)期望采用單一的變分判據(jù)來確定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。事實(shí)上，只要涉及兩個(gè)及以上的主導(dǎo)機(jī)制(第5節(jié)討論的圖3中的A–B協(xié)調(diào)區(qū)域)，要直接推導(dǎo)出單一的變分判據(jù)就十分困難，因?yàn)椴煌闹鲗?dǎo)機(jī)制目標(biāo)相左。這時(shí)需要考慮反映不同機(jī)制(可能對(duì)應(yīng)于不同耗散過程)的不同變分判據(jù)在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)。這也可能是非線性非平衡熱力學(xué)中，對(duì)于耗散結(jié)構(gòu)選取統(tǒng)一的單一變分判據(jù)如此困難、爭(zhēng)議重重的原因所在。依據(jù)EMMS原理(其適應(yīng)性已在許多系統(tǒng)中得到驗(yàn)證)，我們進(jìn)一步推斷，上面提到的這些爭(zhēng)議是由于忽視了競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)原理，以及變分判據(jù)與操作區(qū)域有關(guān)這一規(guī)律(見第5節(jié)及圖3)，當(dāng)然這還需要更多的證據(jù)來核實(shí)。換句話說，最小耗散與最大耗散分別對(duì)應(yīng)于不同的主導(dǎo)機(jī)制，二者共同控制著復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這已在湍流、氣–固流態(tài)化、反應(yīng)–擴(kuò)散系統(tǒng)中得到了初步驗(yàn)證。二者可以在同一個(gè)系統(tǒng)中起作用，但只限于A–B協(xié)調(diào)區(qū)域(參見圖3)，且以交替實(shí)現(xiàn)的方式，即在同一時(shí)刻、不同位置，或同一位置不同時(shí)刻分別呈現(xiàn)各自的極值趨勢(shì)。而對(duì)于A機(jī)制主導(dǎo)區(qū)域、B機(jī)制主導(dǎo)區(qū)域，單一的極值判據(jù)(最小耗散或最大耗散)可能適用，因?yàn)榇藭r(shí)的耗散過程是由單極值主導(dǎo)的。以目前掌握的證據(jù)，我們初步推斷，考慮不同主導(dǎo)機(jī)制(對(duì)應(yīng)于不同的變分判據(jù))之間競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)，重視變分判據(jù)對(duì)操作區(qū)域的依賴性，可以平息上述爭(zhēng)議。就是說，單一的總耗散(熵產(chǎn)生)變分判據(jù)可能不足以描述A-B協(xié)調(diào)區(qū)域。這一關(guān)鍵問題一直未受關(guān)注。介科學(xué)的任務(wù)之一就是解決這個(gè)問題。另一個(gè)需要闡明的問題：EMMS原理的適用范圍有多大？國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)啟動(dòng)了介科學(xué)研究計(jì)劃，資助不同領(lǐng)域的研究。該計(jì)劃的宗旨是搜集更多的證據(jù)，從不同方面探討競(jìng)爭(zhēng)中協(xié)調(diào)的EMMS原理的普適性，比如原理涉及的基本問題，以及變分判據(jù)等。七、能源技術(shù)研究規(guī)劃實(shí)例目前，能源研究主要按能源的類型來組織，比如，核能、可再生能源、化石能源。將來，可以依據(jù)知識(shí)體系的邏輯，在全面考慮和學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)能源研究綜合體，以便揭示整個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和共性科學(xué)問題，用以組建團(tuán)隊(duì)、建設(shè)機(jī)構(gòu)、構(gòu)建平臺(tái)。能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素之一，但能源的使用又導(dǎo)致了氣候變化這一全球性的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，多數(shù)政府和工業(yè)研發(fā)部門都將能源研究作為主要任務(wù)。能源研究的效率與人類可持續(xù)發(fā)展的能力密切相關(guān)。合理地規(guī)劃、組織研發(fā)活動(dòng)對(duì)于提高研究效率、催生能源革命至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有能源研究基本上沒有考慮知識(shí)體系的邏輯、結(jié)構(gòu)，因而，學(xué)科交叉難以實(shí)現(xiàn)。這是組織管理方面的局限。例如，通常不同的實(shí)驗(yàn)室分別研究核能、可再生能源、化石能源，以幾乎相互隔絕的方式各自發(fā)展。更甚的是，往往基于完全不同的學(xué)科，忽略了其知識(shí)上的共性和互補(bǔ)性。隨著我們對(duì)新科技革命、新科研模式、應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)的探討，將來我們應(yīng)當(dāng)改變這種狀況?；谥R(shí)體系的結(jié)構(gòu)和邏輯，圖6為針對(duì)核能、可再生能源和化石能源的能源研究綜合體提出的一個(gè)初步框架。換句話說，組織能源領(lǐng)域的研究需要遵循以下步驟：圖6依據(jù)知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)與邏輯來規(guī)劃能源研究綜合體（1）組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)：確定不同層次上各類能源(如核能、可再生能源、化石能源)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，以便組織專業(yè)的研究團(tuán)隊(duì)攻關(guān)這些與能源類型相關(guān)的問題。（2）創(chuàng)建學(xué)科交叉部門：分析同一層次上不同類型能源具體問題的相互關(guān)聯(lián)，以確定共性科學(xué)問題，即組織同一層次不同能源的統(tǒng)一研究部門，也就是學(xué)科交叉部門。（3）創(chuàng)建跨學(xué)科中心：探索不同層次上的共同挑戰(zhàn)，比如介尺度問題，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)研究能源領(lǐng)域共性問題的部門，即跨學(xué)科中心。（4）建立通用平臺(tái)：為不同的團(tuán)隊(duì)和部門建立通用平臺(tái)，注重其在理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算方面的能力和水平。對(duì)能源研究綜合體的這種多級(jí)規(guī)劃可望將重復(fù)研究降到最低，最大限度地加強(qiáng)不同團(tuán)隊(duì)、部門之間的互動(dòng)，形成研發(fā)實(shí)力。當(dāng)然，與此匹配的管理機(jī)制也是達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵。八、形成新的科研模式我們需要引導(dǎo)新科研模式的形成。理清知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)與邏輯，將導(dǎo)致理論、方法、工具和思維方式的變革，再加上信息技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)的推動(dòng)，未來的科研模式將發(fā)生根本性的變化。如何應(yīng)對(duì)這一變化，也是實(shí)現(xiàn)科技跨越式發(fā)展的另一關(guān)鍵問題，需要科技界、政府、相關(guān)部門給予關(guān)注。(1)

信息技術(shù)引發(fā)的變革：由于信息技術(shù)的發(fā)展和大數(shù)據(jù)的興起，新的科研模式也正在孕育之中。這一過程又伴隨著科學(xué)的開放性和全球性的快速發(fā)展，比如開放獲取(OpenAccess，OA)和各式各樣的新的科研、出版、交流、共享模式，這些都將帶來科研環(huán)境的革命性變革。然而，如何理性地引導(dǎo)這一變革，卻是當(dāng)前科研管理方面面臨的重大挑戰(zhàn)。比如，OA當(dāng)然有利于人類對(duì)新知識(shí)的共享，但是OA應(yīng)當(dāng)如何健康發(fā)展，而不至于知識(shí)過度“商品化”而影響知識(shí)的健康傳播？究竟應(yīng)當(dāng)建立哪些制度來確保OA能夠造福人類？又比如，信息技術(shù)當(dāng)然對(duì)知識(shí)傳播方式的變革十分重要，但如何保證知識(shí)的質(zhì)量和有序？如何保證從海量數(shù)據(jù)中及時(shí)獲取可靠的知識(shí)？再比如，大數(shù)據(jù)被認(rèn)為可能導(dǎo)致科研模式的變革，但大數(shù)據(jù)背后隱藏的科學(xué)原理是什么？這需要引起科技界的充分重視。諸如此類的問題很多，需要建立全球制度予以規(guī)范。就像技術(shù)發(fā)展過程中逐步建立起專利制度一樣，當(dāng)前，在新的科研范式形成過程中，需要哪些新的全球性制度值得我們深思，也需要全球共同行動(dòng)。(2)

研究方法、理論、技術(shù)的突破引發(fā)的變革：根據(jù)前述知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)和邏輯，以及所討論的在介尺度上的缺失環(huán)節(jié)，研究方法、理論、工具也應(yīng)有相應(yīng)的變革，而這些變革也會(huì)是新的科研模式的重要特征，同樣需要進(jìn)行一些學(xué)科方面的重組。比