【院士开讲】知识有限，想象无界

　　【院士开讲】

　　编者按

　　“知识确实是力量，但只有通过创新，知识才能转化为力量！”这是中国工程院院士、清华大学教授金涌在中国人民大学与中国工程院联合举办的“院士大讲堂”上的开场白。作为一位在化工领域躬耕数十载的科学家，他让昔日天价材料走向产业应用；作为一位年届九旬开通短视频账号的科普者，他被网友称为“网红院士”。近日，在这场题为“科学家素质浅析”的报告中，金涌没有堆砌深奥晦涩的专业理论，而是将科学史上的“群星闪耀时”娓娓道来——

　　创新究竟从何而来？为什么有人能获得重大发现，有人却终其一生碌碌无为？

　　当今时代，大国竞争主要体现在科技实力、高端制造方面。但科技水平的高下取决于人才素质，人才素质又主要体现在创新能力上。我们讲要努力从跟跑者到并跑者，再到领跑者。事实上，领跑者必定是孤独的，只能靠自己创新。

　　两百多年来，世界经济持续增长，不单纯源于资本和劳动力积累，很重要的一点是人类学会了把知识变成创造力。科学家的工作是什么？是发现自然规律，创造新的工艺、新的工程，造福人类。

　　科学家应该具备什么样的素质？这些素质是天生的还是后天培养的？我以为，想象力、联想力、观察力、思辨力、好奇心、变通力，还有最根本的道德操守与家国情怀——这些构成创新素养的核心要素，值得逐一审视。

　　作者：金涌（中国工程院院士、清华大学教授）

　　·想象力是从无到有的源头

　　·联想力是触类旁通的桥梁

　　·保护想象力就是保护创新

　　想象力与联想力——创新的源头活水

　　想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力是无限的，它完全可以实现从无到有。古希腊地理学家埃拉托色尼在埃及塞恩（今阿斯旺）观察到夏至日正午阳光直射井底的现象，回到亚历山大城后，他通过在亚历山大城测量同一时刻太阳光线的偏角（约为7度），并结合两城之间的距离（约5000个希腊运动场），运用几何学原理计算出地球周长约为25万个希腊运动场。

　　在这个计算过程中，他做了两个假设：太阳离我们很远，太阳光是平行的；地球可能是圆的。就靠这两个想象，他列出一个方程式，解出了地球的直径，而且非常准，已经在现代社会的误差范围之内。他没用太多知识，更多是靠想象。

　　英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆被誉为“石墨烯之父”。2004年，他和学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用一卷普通胶带首次成功地从石墨中分离出单层碳原子的石墨烯，这项发现被认为是材料科学的重要里程碑，开启了二维材料研究的新纪元，他也因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。

　　这个研究是怎么做出来的呢？安德烈·海姆每周五下午把学生和助教叫在一起，琢磨一些想入非非的事。有一天他拿了一块石墨板，说这石墨是多层结构，能不能把它分开？他交给一个学生，这个学生在磨床上磨了两个礼拜，磨碎了，达不到单层。后来安德烈·海姆换了个方法，用普通胶带从两边粘上，压实后撕开再粘再撕，经过几十次以后，在电子显微镜下看到了石墨烯的网状结构，每一个节点就是一个碳原子，这就是单层石墨烯。它是透明的，比金刚石还坚硬，强度是钢丝的200倍，导电导热都比铜和银好。这个诺贝尔奖没花什么大经费，也没用什么高级仪器，就是依靠想象把它实现了。

　　联想力也是看到这个能想到那个的能力。仿生学就是充分利用联想力的学科——雷达的发明，就是因为知道蝙蝠用回声探测前边有没有障碍物；肺的膜可以把血液里的二氧化碳分出去，把空气里的氧气吸进来，利用这种生物学特性，科学家做出一张膜，这边是海水，那边就可以分离出淡水，这就是膜分离技术。

　　还有哥德巴赫猜想：哥德巴赫写信给欧拉，说自己猜想大于2的奇数可以拆成三个素数之和。欧拉回信说，我联想到，大于4的偶数都可以拆成两个素数之和。一个想象，一个联想，构成了哥德巴赫猜想，让它成为数学界的王冠。

　　理论物理学家研究宇宙、研究基本粒子，不能像生物学家那样在实验台上做解剖实验，只能靠想象。这就像小孩捡到一块手表，看看指针在转，听听滴滴答答响，可是打不开，不知里面结构，只能靠猜测。

　　猜想是科学家的重要品质。想象力、猜想是何等重要，它能引导科学发现！所以，我们要学习知识，还要保护想象力。

　　·捕捉偶然是观察力的核心

　　·跨尺度观察打破思维定式

　　·独立思考是思辨力的底线

　　观察力与思辨力——从偶然中捕捉必然

　　想象力提供了创新的源头，但要汇成创新的河流，还需要观察力。

　　英国细菌学家、青霉素的发现者，1945年诺贝尔生理学或医学奖获得者亚历山大·弗莱明研究葡萄球菌，当时感染这种菌后必死无疑。有一天他旅行回来，发现本来杀不死的菌自己死了一片。他立刻研究，发现是青霉菌的代谢产物杀死了葡萄球菌，这就是青霉素。后来发现青霉素可以治愈很多病。记者问他做了多少次实验找到青霉素？他的回答是没找，它自个跑出来的——原来大楼里另一个人做青霉菌，夏天不关窗，青霉菌跑过来杀死了葡萄球菌。这种极端偶然的现象被他抓住了。所以说，观察力太重要了！

　　清华大学的水池里有水黾，一般人看了觉得没什么，有人就发现问题了：为什么它不沉底？这不符合阿基米德定律。把水黾的脚剪下来放在电子显微镜下看，原来有纳米毛刺抓住气泡，踩着气囊滑行。这个文章一发表，大家想到壁虎为什么能在天花板上爬？剪下壁虎脚一看，也是纳米结构。几千年没人解释的问题就解决了，利用现在的跨尺度研究，可以看清缩小几万倍尺度内的事物，看清了才发现原来很简单。所以观察是科学家很重要的素质。

　　观察让我们看到现象，但要从现象中提炼出规律，还需要思辨力。思辨力需要批判性思维，敢于不从众、勇于打破思维定式，甚至有时候要做个“另类”。例如说，伽利略在脑子里做实验——亚里士多德说重球下落快，轻球下落慢。伽利略说，若把两球粘在一起，按原说法更重应更快，但轻球拖累应更慢，这是矛盾的。所以，两球下落一样快，不做实验，用思维就解决了。

　　二战时，英国飞机轰炸回来，机身好多弹孔。飞机制造商说：应把弹孔多的地方做厚一点。数学家说：错了，弹孔多的地方被打中还能飞回，说明不重要；没弹孔的地方被打中就回不来了，这就是逆向思维。

　　批判性思维也很重要，因为迷信专家会犯大错误。例如，勒维耶成功预测了海王星，又预测水星内侧有颗“祝融星”，可全世界天文台找了70年，谁都没找到。直到1915年爱因斯坦说，按照相对论水星轨道完全正常，根本不存在“祝融星”。大家迷信专家，全行业犯了70年错误，所以，对任何事情不能从众，必须独立思考。

　　·人机共创关键在人的判断

　　·好奇心是创新的持久动力

　　·感恩与回报是最深层的动机

　　变通力与家国情怀——AI时代的人机共创与科学动力

　　如果说想象力、观察力、思辨力构成了创新的能力基础，那么在人工智能时代，还有一种素质决定着创新能走多远——变通力。

　　现在是人工智能时代，千行百业都避免不了使用人工智能。AI有四大法宝：大量知识储存、大量数据、强大算力、不断积累的算法。它可以通过统计分析快速给出方案，成本低，扩散快。可是AI不是通过确定性原理逻辑推演出来的，它不能解释问题，而且可能出现幻觉。

　　人脑有800亿个神经元，有几千亿个神经纤维，在发现问题、提出问题、设计实验、快思维、直觉、顿悟等方面的能力是计算机目前还无可比拟的。所以我们要拥抱人工智能，但不能依赖它。

　　要人机共创，人提出问题、发现问题，AI给出方案，由人判断是不是可行、经济是不是合理、是不是安全有效，并最终决策。如果你的能力不比AI强，你怎么判断？所以变通力是当今科学家最重要的能力。

　　有了变通力，还需要一种持久的动力支撑创新走到底。数学家张益唐，北大硕士，到美国读博士，博士后出站后找不到教职，在快餐店打工，差不多10年完全离开数学界。后来一个师弟找到他，重新把他拉回数学专业领域，不到两年，他解决了孪生素数猜想，证明无论数多大，两个素数之间距离不超过7000万。很多人称赞他真了不起，一直处在逆境还能做出贡献。张益唐说，不是毅力强，就是好奇，就想知道这是怎么回事。好奇心推动他不断努力，坚持不懈十多年做这个事。所以好奇心是科学家的一个推动力。

　　但好奇心之上，还有更高的东西。“两弹元勋”钱学森、郭永怀，他们在荒漠里隐姓埋名几十年，是因为好奇吗？不是。是为了发财吗？更不是！他们是为了报效祖国。爱因斯坦曾说：“每天我都无数次地提醒我自己，我的内心的和外在的生活，都是建立在其他活着的和死去的人的劳动的基础上。我必须竭尽全力，象我曾经得到的和正在得到的那样，作出同样的贡献。”清华大学把这段话刻在石碑上，希望年轻学生懂得感恩。感恩父母，感恩老师，感恩社会，报效国家！这才是最伟大的人格，是科学家应该具备的素质。

　　科学家需要顺应时代需求，创造力不等于知识积累，要学会把知识变成创新能力，科学家也需要有道德操守。年轻人要在乐于、善于创新创造的年纪，怀科技报国之志，保持好奇、自主探索、大胆创新，在日常学习和生活中培养科学家素质，践行科学家精神。

　　《光明日报》（2026年11月05日 16版）