——王大珩院士談儀器儀表的價值
王大珩院士，一位不會停止思索科技問題的科學(xué)家。如今，人們?nèi)阅荏@奇地發(fā)現(xiàn)：92歲高齡的他，依然能夠深刻洞悉科學(xué)發(fā)展的前沿，為中國科學(xué)事業(yè)的發(fā)展提出精辟見解。眾所周知，他曾與王淦昌、陳芳允、楊嘉墀3位科學(xué)家一起向國家領(lǐng)導(dǎo)人倡議對中國科學(xué)事業(yè)影響深遠(yuǎn)的“863”計劃。此外，他不時思考的主題還有科學(xué)儀器事業(yè)的發(fā)展，并數(shù)次會同許多科學(xué)家“上書”有關(guān)部門，中國應(yīng)增強對科研儀器的研發(fā)力度，期待中國能夠振興儀器儀表工業(yè)。
他說，“儀器儀表對于科研和工業(yè)生產(chǎn)往往被看做‘配角’，而實際上早已成為中國科技發(fā)展和提升工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量舉足輕重的核心組成部分。許多事實證明，中國科技實力與經(jīng)濟發(fā)展的咽喉被卡在儀器儀表這一關(guān)口上”。
在堆滿各種科技刊物的書房中，王老坐在老款式的沙發(fā)上，經(jīng)常閱讀中外關(guān)于科技的論著、現(xiàn)代科學(xué)儀器等多種學(xué)術(shù)期刊和報紙。當(dāng)全國人大常委會副委員長、中科院院長＊＊＊特別邀請他通過《科學(xué)時報》談?wù)剝x器儀表的發(fā)展問題時，他從幾個重要方面給予了詳盡的論述。http://www.bjyashilin.com
概念被混淆和誤解
王老指出，發(fā)展儀器首先必須澄清一個概念，“儀器”不是“機器”。但人們經(jīng)常認(rèn)為儀器只是一種機械，是為機器配套的，儀器工業(yè)是機械工業(yè)的一個組成部分。這種概念，也許是因為國家把儀器工業(yè)歸口機械部管理而形成的習(xí)慣印象；或者認(rèn)為儀器僅僅是為科研服務(wù)的一種技術(shù)后勤。在學(xué)科上，儀器科技是機械學(xué)科的一個分支，或從屬于有關(guān)工程學(xué)科，只是配套技術(shù)等等。由此，很長一段時間里，人們對儀器的認(rèn)識產(chǎn)生了誤區(qū)，對儀器所起的關(guān)鍵作用在本質(zhì)上認(rèn)識不夠，甚至認(rèn)為儀器不過是一種機器，從而導(dǎo)致這一領(lǐng)域的發(fā)展嚴(yán)重滯后。這是對概念認(rèn)識不清造成的。
王老說，“事實上，儀器與機器有著很大差異。機器是改造世界的工具，以認(rèn)識世界為基礎(chǔ)；而儀器發(fā)展是建立在認(rèn)識世界的基礎(chǔ)之上的。正確的概念應(yīng)當(dāng)是：儀器是認(rèn)識世界的工具，機器是改造世界的工具。儀器是對未知世界認(rèn)識的科學(xué)工具，也是做為控制生產(chǎn)過程的工具”。
“從這個角度看，儀器屬于信息技術(shù)科學(xué)。不是利用它作為改造世界的實物，而是做為優(yōu)化生產(chǎn)的手段，從獲得信息作為行動指導(dǎo)。儀器是認(rèn)識世界的信息原始數(shù)據(jù)的源頭。信息技術(shù)有以下幾個層次：信息的獲取依靠儀器傳感器，信息的儲存，信息狀態(tài)轉(zhuǎn)化，信息的傳輸，信息的顯示，信息結(jié)果的分析。獲取信息作為信息科技的源頭，一切都從它開始，在信息科技中占有重要地位”。
王老認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)把儀器和機器放在同等的地位，把儀器工業(yè)與機械工業(yè)同等看待。儀器是機械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、計算機技術(shù)、材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科和先進(jìn)技術(shù)綜合的高技術(shù)產(chǎn)物。
科學(xué)研究的推進(jìn)器
據(jù)王老助理介紹，上個世紀(jì)40年代初，王老曾供職于英國伯明翰昌司玻璃公司，任研究實驗部物理師，研制出V-棱鏡精密折射率測定儀器，成為工業(yè)上的有效工具。他把測量玻璃等光的性質(zhì)精確度從4位數(shù)提高到5位數(shù)，并由此獲得英國儀器協(xié)會第一屆“青年儀器發(fā)展獎”。
王老說，“當(dāng)代科學(xué)研究沒有先進(jìn)的儀器是難以取得創(chuàng)新成果的，科學(xué)儀器經(jīng)過幾十年的發(fā)展已從配套設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵牟考薄?/FONT>
王老認(rèn)為，從國內(nèi)看，“兩彈一星”成功研制，科研儀器是開門旗艦。所需的儀器裝備在當(dāng)時國際封鎖條件下，不可能買到。這些技術(shù)裝備，只有依靠自己的科研人員研發(fā)，保證全部實驗穩(wěn)妥可靠，萬無一失有序進(jìn)行。
中國科學(xué)院長春光機所資料記載，在“兩彈一星”研制過程中，在我國第一次核爆試驗之前，王老指導(dǎo)改裝了用于火球發(fā)光動態(tài)觀測儀器——高速攝影機。在我國研制返回式衛(wèi)星時，在其裝備需要有對地觀測相機，且這種相機既要經(jīng)得起發(fā)射的震顫，又要保證長期正常工作。王老親自組織協(xié)調(diào)成立了一個專門從事空間相機研制的科研部門，攻克種種難關(guān)。經(jīng)過一段時間的努力，他指導(dǎo)的團隊研制出多種型號相機，最后陪伴著返回式衛(wèi)星飛上天空，并在衛(wèi)星返回后帶回了“地球村”的重要圖象。上世紀(jì)80年代，我國向南太平洋發(fā)射遠(yuǎn)程運載火箭，“遠(yuǎn)望號”航天測量船出色地完成了火箭再入段的跟蹤測量任務(wù)。而“遠(yuǎn)望號”測控使用的先進(jìn)“裝備”之一，即是王老率領(lǐng)的中國科學(xué)院長春光機所研制的光學(xué)設(shè)備。這套設(shè)備所解決的問題是世界遠(yuǎn)洋航天測量的穩(wěn)定跟蹤、定位、標(biāo)校和抗干擾等技術(shù)前沿課題。
他說，“從國際上看，約有1/4諾貝爾物理學(xué)獎獲得者的研究工作與儀器的研制有關(guān)。如，美國斯坦福大學(xué)物理系教授肖洛，在實用激光器誕生之后，帶領(lǐng)其研究小組致力于激光光譜學(xué)研究，并與合作伙伴對復(fù)雜的化合物進(jìn)行深入研究，創(chuàng)造出飽和吸收光譜與雙光子光譜等多種方法，有效提高了儀器的分辨率。由此，他與合作者分享了1981年諾貝爾物理獎。高端科研儀器，如電子顯微鏡、質(zhì)譜儀、CT 斷層掃描儀、X 射線物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析儀，光學(xué)相襯顯微鏡，掃描隧道顯微鏡等科學(xué)儀器，不僅僅用來探索自然規(guī)律，積累科學(xué)知識，而且在科學(xué)技術(shù)的重大成就和科學(xué)研究新領(lǐng)域的開辟方面發(fā)揮出重要作用。儀器的進(jìn)展代表著科技的前沿，科學(xué)儀器的發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)是國家科學(xué)發(fā)展的支柱。能不能創(chuàng)造高水平的新式科學(xué)儀器和設(shè)備，體現(xiàn)了一個國家的創(chuàng)新能力。人類基因結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，就是應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)儀器獲得的重要成果”。
他提醒人們注意，現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展可謂伴隨著儀器的進(jìn)步而發(fā)展。如顯微鏡的發(fā)明，直接導(dǎo)致細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，因而引發(fā)了生物學(xué)的飛躍。質(zhì)譜儀的發(fā)明與使用，為元素及其同位素的定性定量分析提供了精確數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了核能的有效利用。
“科研儀器是認(rèn)識世界的工具，凝聚著人類智慧，并成為科學(xué)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。這也說明儀器是發(fā)展科學(xué)事業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和原動力。因此，評價科研成果應(yīng)當(dāng)有現(xiàn)代科學(xué)儀器發(fā)展的功勞”。王老十分感慨。
王老同時強調(diào)，發(fā)展中國的科學(xué)儀器固然需要重視自主創(chuàng)新和自力更生，但不是說儀器一切都要自己制造，或者完全排外。購買國外先進(jìn)儀器設(shè)備開展科研工作是無可厚非的，也是需要的，但必須避免由此衍生對進(jìn)口儀器依賴的傾向性，或盲目崇拜。“工欲善必先利其器”，許多原始創(chuàng)新成果都緣于創(chuàng)新性儀器設(shè)備完成。在生物領(lǐng)域基因研究是創(chuàng)新，基因工程解密生物機密，產(chǎn)生許多規(guī)律性的發(fā)現(xiàn)。但最重要的是首先發(fā)展了研究基因工程的科學(xué)儀器和設(shè)備，沒有這一創(chuàng)新條件，基因工程不可能取得進(jìn)展。
僅占工業(yè)總值4% 影響度達(dá)66%
“儀器對于保證產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)范化生產(chǎn)，都有重要意義。生產(chǎn)過程中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題不被察覺，會導(dǎo)致全廠的毀滅。如前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故�，F(xiàn)代核能生產(chǎn)如果沒有儀器儀表控制整個生產(chǎn)過程，安全就無法保證。總之，儀器對于產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)所起到保障作用有普遍性重要意義”。王老接著闡述了儀器在生產(chǎn)中的意義。
他以鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)變化為例闡述自己觀點。
“我國過去的鋼鐵生產(chǎn)是依靠經(jīng)驗豐富的老工人。因為，只有老工人能夠憑借經(jīng)驗，看出爐膛中熔化鋼鐵的顏色變化之后，才能確認(rèn)鋼鐵出爐的時間。而現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)車間，主要是青年人在操作，因為有先進(jìn)的儀器儀表精確測量控制鋼鐵冶煉過程的溫度和成分。由此鋼鐵工業(yè)發(fā)展中，儀器儀表的設(shè)備投資比例很高。如，寶鋼全部設(shè)備投資的1/3，用于測試控制設(shè)備”。
他介紹，現(xiàn)代工業(yè)中煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工、紡織等，如果沒有先進(jìn)的儀器儀表發(fā)揮其檢測、顯示、控制功能，就無法正常連續(xù)安全生產(chǎn)。即使原來認(rèn)為可以土法生產(chǎn)的制酒工業(yè)，今天也需通過儀器儀表嚴(yán)格控制溫度流程才能創(chuàng)出名牌。
美國國家工業(yè)技術(shù)研究院( NIST)統(tǒng)計，美國為了質(zhì)量認(rèn)證和控制、自動化及流程分析，每天要完成2億5千萬個檢測。要完成這些檢測，需要大量的種類繁多的分析和檢測儀器。儀器與測試技術(shù)已是當(dāng)代促進(jìn)生產(chǎn)的一個主流環(huán)節(jié)。美國商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)局( NBS)，90年代初評估儀器儀表工業(yè)對美國國民經(jīng)濟總產(chǎn)值( GNP) 的影響作用，提出調(diào)查報告：儀器儀表工業(yè)總產(chǎn)值只占工業(yè)總產(chǎn)值的4%，但它對國民經(jīng)濟的影響達(dá)到66%。
多學(xué)科融合 需要協(xié)同作戰(zhàn)
“在1956年的《十二年國家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中，其第54項政府提出了包括光學(xué)儀器在內(nèi)的儀器儀表發(fā)展規(guī)劃，我是這個規(guī)劃項目的執(zhí)筆人。后來，在聶榮臻副總理領(lǐng)導(dǎo)下的國家科學(xué)技術(shù)委員會成立了儀器儀表專業(yè)小組，我擔(dān)任這個專家小組的組長。從那時到現(xiàn)在，我與儀器打交道已有60年歷史。如果從我注意實驗物理的時間算起，已經(jīng)有70年了”。交談中，王老回憶起自己的經(jīng)歷。
據(jù)悉，“兩彈一星”之后，1979年國家成立了中國儀器儀表學(xué)會，第一任理事長是中國科學(xué)院聲學(xué)所的汪德昭院士，第二任即是王老。
他說，“國家在當(dāng)時的一機部成立了儀器儀表工業(yè)總局，管理國家的制造業(yè)。但是，儀器比較小，比較精密，在生產(chǎn)產(chǎn)值上無法與機械工業(yè)比高低。由于管理部門缺乏對儀器儀表重要性的認(rèn)識，影響了國家儀器儀表事業(yè)的發(fā)展。改革開放后，一機部也解散了，儀器儀表工業(yè)總局隨之消失。從整體看，近些年儀器儀表實際上國家沒有人管理，原有的企業(yè)協(xié)作體系也消散了。市場化后，企業(yè)都希望做整機。這是發(fā)展中出現(xiàn)的混亂局面”。
王老繼續(xù)分析說，“目前，國際儀器儀表自動化技術(shù)在不斷提高，它不只是解決測量的問題，而且發(fā)揮出控制作用。儀器儀表通過與電子技術(shù)和自動化技術(shù)聯(lián)為一體，不僅成為獲取信息的工具，而且從測量走向了控制”。
王老沉思道，儀器儀表的內(nèi)涵較之以往發(fā)生了很大變化。其自身結(jié)構(gòu)已從單純機械結(jié)構(gòu)，發(fā)展成為集傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)、精密機械等多種高新技術(shù)于一身的系統(tǒng)，其用途也從單純數(shù)據(jù)采集發(fā)展為集數(shù)據(jù)采集、信號傳輸、信號處理以及控制為一體的測控過程。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、微納米技術(shù)的發(fā)展，測控技術(shù)呈現(xiàn)出虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和微型化的發(fā)展趨勢，從而使儀器儀表學(xué)科的多學(xué)科交叉及多系統(tǒng)集成而形成的邊緣學(xué)科的屬性越來越明顯。
利用現(xiàn)代微制造技術(shù)、納米技術(shù)、計算機理論、仿生學(xué)原理、新材料等高新技術(shù)發(fā)展新型科學(xué)儀器己成為主流。如微型全化學(xué)分析系統(tǒng)、微型實驗室、生物芯片、芯片實驗室等。如正在發(fā)展的芯片型自動分析元件，它不僅僅有測試功能，這里執(zhí)行的是分離、反應(yīng)等操作。綜合這些芯片的功能將組成微型的分析儀器，進(jìn)而形成芯片實驗室。
他認(rèn)為，在一些重大科學(xué)前沿研究中，科學(xué)儀器成為重大復(fù)雜的科研工程測試及研究手段。大型天文望遠(yuǎn)鏡，高能粒子加速器，航天遙感系統(tǒng)等都是由諸多分系統(tǒng)集成。這些分系統(tǒng)都是由高新技術(shù)武裝起來的。然而，目前國內(nèi)儀器儀表研制組織上比較混亂。相同產(chǎn)品，品種不少，比較缺乏先進(jìn)的技術(shù)內(nèi)涵。例如，儀器儀表正與生物科學(xué)研究發(fā)生密切關(guān)系，生命科學(xué)的研究需要尖端科學(xué)儀器。這是對儀器儀表行業(yè)提出的新挑戰(zhàn)。當(dāng)年他們提出的建議，并沒有得到認(rèn)同，這是中國落后的表現(xiàn)。從生物技術(shù)發(fā)展看，中國落后了不少。當(dāng)前國家科技事業(yè)的發(fā)展，中國正處于一個新的機遇期，從發(fā)展形勢看，振興儀器儀表事業(yè)需要充分發(fā)揮各方面積極因素。現(xiàn)在，中國最關(guān)鍵的是如何把不同行業(yè)的專家組織在一起，儀器儀表是綜合交叉學(xué)科，具有多樣性，需要各個方面力量的協(xié)同作戰(zhàn)。http://www.bjyashilin.com
