近日，Science杂志刊登了日本文部科学省本月最新发布的《科学技术指标2022》，显示中国被引次数最高的论文数量跃居全球第一，超越美国。原始创新是国际科技竞争的制高点，近年来我国也一直高度重视培育原始创新。那么，在这些高被引的顶尖论文中，有多少是“从0到1”的原始创新呢？本文以高温超导研究作为科学史案例，界定了原始创新、一阶创新、二阶创新的概念、特征和内涵。读者可参照三种概念来回答这个问题。


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：顾超（北京大学科学技术与医学史系），题图来自：视觉中国


科学研究中的原始创新能催生新的重大科学思想和科学理论，产生颠覆性技术，对于引领科技革命和改变世界格局具有至关重要的作用。要提升原始创新能力，首先需要在学理上界定清楚：什么样的创新属于“从0到1”的原始创新？除了参考期刊的影响因子、论文的被引率、所获奖项等外部特征，更为重要的是探索原始创新的内在特征。本文尝试用科学史的方法回答这个问题，为原始创新“祛魅”。


本文选择高温超导的发展史作为剖析原始创新的典型案例。


从领域的重要性看，自1911年发现超导现象以来，超导研究一直是科学界的热点和凝聚态物理最活跃的前沿领域，至今已有五次十人因为和超导相关的研究而获得诺贝尔物理学奖；


从学科性质看，高温超导研究属于基础科学，同时具有潜在的广泛应用；


从创新意义看，高温超导的发现不仅是物理学史上划时代的科学突破，同时还预示着一个超越已有量子场论框架的新的多体量子理论的诞生，其意义超越了发现本身；


从历史方位看，如今距离高温超导的发现已有35年了，这个领域的研究仍然充满着惊奇、机遇和挑战；


从中国经验看，我国超导研究起步比国际上晚近50年，但在高温超导领域很快赶上，目前已经跻身国际先进甚至领先行列。


一个发展中国家能够在一个起步严重落后的科学领域实现后来居上，其经验值得总结。因此，高温超导的研究历程不仅在当代科学史上具有典型意义，也蕴含着原始创新的丰富内涵。本文通过系统考察和梳理高温超导的发展历史，既书写了超导历史研究的新篇章，也为深入分析原始创新的内在特征提供了新的研究视角。


高温超导的发现：“从0到1”的原始创新


自1911年卡末林-昂纳斯等人首次发现超导现象到1986年高温超导发现之前，近70年来超导的发展历程有几个鲜明的特点：第一，超导研究因其重要的科学意义、巨大的应用前景和极富挑战性的研究难度，始终是凝聚态物理的研究前沿，汇聚了全世界几代顶尖的物理学家，获得了多次诺贝尔奖；


第二，超导领域不乏革命性的思想。如1957年提出的BCS超导理论从单电子的输运行为跳跃到两个电子的配对和凝聚，是理论物理中重要的范式革新，被誉为“自量子论建立以来对理论物理最重要的贡献之一”。


第三，超导临界温度（Tc）的提升非常缓慢。1953~1985年，所有最高Tc的超导材料均出自A-15结构（化学式为A3B的化合物，如Nb3Sn），且最高Tc仅仅是1973年获得的23.2 K。达到这一温度一般需要使用昂贵的液氦，因此长期以来制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈，就在于其极低的Tc。1968 年，麦克米兰（McMillan）基于BCS理论提出通过电声子相互作用产生的超导体的超导转变温度不会超过40 K，这被称作传统超导体的麦克米兰极限。


在提高超导转变温度的研究长期停滞的情况下，1986年，IBM公司苏黎世研究实验室的柏诺兹和缪勒在钡镧铜氧化物（Ba-La-Cu-O）中观察到了30 K左右的超导转变温度。这一发现很快被日本、美国、中国的研究团队证实，掀起了高温超导的研究热潮。次年，柏诺兹和缪勒获得1987年诺贝尔物理学奖。


高温超导的发现是超导领域的一座里程碑，也是物理学史上的一次历史性突破。诺贝尔奖史无前例的快速“认证”以及其后几年世所罕见的研究热潮都表明了这一发现在当时的影响力。但从科学史的视角看，之所以称其为“历史性突破”，主要原因不在于这一研究的即时影响力，而在于其性质：高温超导的发现是“从0到1”的原始创新。


一方面，这一发现是奠基性的，深刻改变了超导研究的整体格局和研究面貌。柏诺兹和缪勒让科学家们认识到了铜氧化物这一新的超导材料体系，从而引发了大量的扩展性或跟踪性研究，其超导转变温度突破了麦克米兰极限，甚至可以超越液氮温区（77 K），为超导的广泛应用提供了巨大的可能性。科学界甚至外行公众都很快认识到高温超导的重要科学意义和应用价值。


另一方面，高温超导的发现是里程碑式的，具有颠覆性的范式革新意义。虽然高温超导属于对新的经验现象的发现，并非传统意义上全新理论范式的建构，但对超导研究乃至凝聚态物理都具有范式革新的意义。


以上两点是“从0到1”的原始创新的内在特征。对于第一点特征，根据直观表象就比较容易加以判断。但对于第二点特征，需要运用科学史的方法进行深入分析。


首先，铜氧化物高温超导体的发现具有颠覆性，也就是科学共同体普遍“没想到”甚至“压根不会往那个方向去想”。陶瓷性质的氧化物材料一直被认为是绝缘体，与超导体性质迥异。由于BCS理论对于寻找新的高Tc超导体的实践几乎没有什么指导作用，关于超导电性出现的经验规律——“马梯阿斯准则”在相当长的时间内对寻找新的超导体起了重要的指导作用（注：“马梯阿斯准则”是指马梯阿斯总结的超导电性出现的经验规律，如每个原子的平均价电子数符合一定规律的材料Tc较高）。


铜氧化物高温超导体的发现完全打破了“马梯阿斯准则”，特别是其中的“排除氧化物材料”这一准则。柏诺兹和缪勒决定抛开由“马梯阿斯准则”成功指引的A-15结构的金属化合物。他们的考虑是A-15结构已经被研究得很充分，没有什么突破的希望。这是走向成功的第一步。


更重要的事实是，钡镧铜氧化物这种材料并非柏诺兹和缪勒首先制备和研究的。之前法国、苏联、日本都有科学家研究过类似的金属氧化物。法国科学家Raveau等测量了BaLa4Cu5O13.4的高温电阻率，发现从-100℃到300℃是很好的金属导电行为，并不是通常认为的绝缘体。然而他们没有继续测量更低温度的电阻率。


苏联科学家早在1978年就研究过锶镧铜氧化物（La1.8Sr0.2CuO4）在液氮（约77K）中的导电性。因为后来发现这种材料的Tc约为36 K，所以他们离发现高温超导也只有一步之遥。


从1983年起，柏诺兹和缪勒开始在金属氧化物中寻求高Tc的超导材料。基于对Jahn-Teller效应的考虑，他们开始试验过渡金属离子钙钛矿氧化物，首先选择的材料是镧镍氧化物，然后部分地用铝替换镍。在两年内检验了上百种金属氧化物，但始终没有发现超导体。正如柏诺兹所说，当时“很难不对整个想法失去信心”。1985年，他们开始试验铜氧化物，直到柏诺兹看到Raveau等关于钡镧铜氧化物的那篇论文后，他们才制备了钡镧铜氧化物样品。


正如柏诺兹所说，显然法国团队对低温部分不感兴趣，因为他们没有期望那里会发生任何有趣的事情。由此可见，高温超导的发现确实有很大的颠覆性。颠覆性研究要获得成功往往具有很大的偶然性，但偶然的背后是极少数具有原创思想的科学家有意识地朝着某个方向长期不懈努力探索的结果。


其次，铜氧化物高温超导体的发现是重要的范式革新。钡镧铜氧化物是Raveau团队首先制备的，他们还首先测了这种材料200K以上的电阻率。表面上看，柏诺兹和缪勒只是将他们的研究延伸拓展到更低的温度。那么，为什么我们给予柏诺兹和缪勒这么高的评价，认为是他们而不是Raveau团队做出了“从0到1”的原始创新？


因为Raveau团队的工作即使为柏诺兹和缪勒提供了重要的启发，仍然属于库恩所谓的“常规科学”范畴，没有产生范式的革新。而柏诺兹和缪勒的工作虽然看起来只是把Raveau团队的工作推进了一小步，但这一步的意义大为不同，在性质上属于打破既有范式的重要科学发现。


柏诺兹和缪勒的工作建立了高温超导的新范式。后继的研究很快打破了麦克米兰极限，超越了已有的固体量子论的理论框架，对凝聚态物理中两个最成功的经典理论提出了挑战：一个是描述金属行为的朗道费米液体理论，另一个是描述传统超导电性的BCS超导理论。


这一经验发现对原有的理论范式形成强烈的冲击，引起了理论范式的危机，揭开了“强关联电子体系”研究的全新篇章， 为发现新材料、新量子现象和建立新的多体量子理论提供了契机，还对凝聚态物理、材料科学等领域的发展起到了带动作用。新量子理论的建构虽然至今仍未完成，但毫无疑问，是柏诺兹和缪勒开创性地走出了第一步，而不是Raveau团队，也不是后继的其他科学家。至此我们可以确认，高温超导的发现是“从0到1”的原始创新。


从钇钡铜氧到铁基超导体：高温超导材料研究的一阶创新


随着铜氧化物超导体的发现，此后高温超导的研究始终沿着两个重要的方向发展：一是探索新的超导材料，不断提高超导转变温度，二是从理论上阐明高温超导机理。


图1 超导材料发展历史丨来源：罗会仟. 超导“小时代”之三十八 走向超导新时代 [J]. 物理， 2018， 47(12): 807-10.<br>
图1 超导材料发展历史丨来源：罗会仟. 超导“小时代”之三十八 走向超导新时代 [J]. 物理， 2018， 47(12): 807-10.


人们在探索超导材料时发现了很多新奇的超导体，然而除了铜氧化物、铁基超导体、富氢材料这三类材料，其他所有超导体的Tc都没有超过麦克米兰极限（详见图1）。由于富氢材料需要极高的压力才能实现超导，并且其超导机理仍属于BCS理论范畴，因此，高温超导材料一般是指铜氧化物和铁基超导体。


1987年初，中国物理学家赵忠贤研究组与美国华裔物理学家朱经武研究组分别独立发现钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O）化合物具有93 K左右的超导转变温度。这一发现是人类首次实现液氮温区（77 K）的超导，掀起了全世界探索更高Tc超导材料的研究热潮。1993年，法国科学家Schilling发现汞系铜氧化物Hg-Ba-Ca-Cu-O的Tc为133 K。此后，常压下的超导材料的Tc至今没有新的突破。


在十余年的沉寂之后，2008年，日本的Hosono研究组在LaFeAsO1−F中发现Tc为26 K的超导转变，从而掀起了又一轮的铁基超导体研究热潮。不久，中国科学技术大学陈仙辉研究组在SmFeAsO1−F中发现了43 K的超导转变，同时中科院物理研究所的王楠林研究组在CeFeAsO1−F中发现了41 K的超导转变，使得铁基超导体打破麦克米兰极限，成为新的一类高温超导体系。


铁基高温超导体的发现与钇钡铜氧超导体的发现一样，是具有颠覆性的重要创新。钇钡铜氧的发现首次实现常压下液氮温区的超导，意味着超导的应用将不再需要依赖昂贵的液氦来维持低温环境，而仅用廉价且大量的液氮就可以，成本有可能大大降低，开启了高温超导材料探索和规模化应用的大门；而铁基超导的发现则打破了磁性和超导无法共存的传统认识，推动了多轨道关联电子系统的研究和发展，为高温超导的研究打开了另一扇大门。


与铜氧化物一样，铁基超导体蕴含着丰富的物理内涵。此外，铁基超导体具有金属性和非常高的临界磁场，材料工艺也相对简单一些，有希望用于制备新一代超强超导磁体，有着良好的应用前景。


但钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现不是“从0到1”的原始创新。主要原因在于：其一，与高温超导的发现相比，钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现没有开辟新的领域，对超导研究的整体格局和研究面貌的改变是相对有限的；其二，钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现拓展了人们对高温超导的认知，但没有建立新的重要范式。因此，钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现是“一阶创新”。


与“一阶创新”相比，高温超导材料领域的其他一些重要的研究进展只能属于“二阶创新”。比如2020年美国的Dias等将富氢材料与有机超导这两条路径相结合，发现C-S-H体系在267 GPa的高压下Tc达到288 K，历史上首次实现室温超导。这是一个非常重要的“世界记录”，但目前来看，由于极高压力的限制和其机理仍属BCS理论范畴，因此其颠覆性意义不如钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现。


再如，铜氧化物和铁基超导体的后续研究，在不同结构、元素替换等方面有所创新，取得了新的更高的Tc，也属于二阶创新。


需要特别指出的是，中国科学家在不断探索和发现新的高温超导材料的竞赛中屡创佳绩。赵忠贤在1987年发现液氮温区的铜氧化物超导材料时一鸣惊人，为一阶创新的取得做出了突出贡献。而在21年之后铁基超导的新一轮研究热潮中，也有多项二阶创新是中国科学家做出甚至引领的，中国的高温超导研究在整体上已经跻身国际先进行列。这21年间的变与不变以及其对未来的启示，是值得深入研究的课题。


常规科学的进步：高温超导机理研究的一阶创新


与传统BCS超导体不同，高温超导体（因富氢材料仍属遵循BCS机制的常规超导体，因此本节讨论的高温超导体不包括富氢材料）的电子配对被普遍认为来源于非电子-声子相互作用机制。因此，传统的BCS理论已经不能解释这类新的高温超导体。然而，35年过去了，至今也没有出现像BCS那样的完整理论来阐释高温超导的机理。解决高温超导机理被Science杂志列为人类面临的125个重要科学问题之一。


超导机理的研究，根本上讲就是要解决以下三个问题：第一，电子是在什么相互作用的支配下，形成库珀对的？第二，库珀对是如何形成位相相干、凝聚变成超导长程相干的？第三，进入超导相后，如何描述超导电子的物理行为？


对于第三个问题，BCS的理论框架是完备的。1993年加拿大的Hardy等首次通过微波实验测量磁穿透深度，发现磁穿透深度在低温下随着温度线性变化，是d波超导体的特征行为。随后大量实验测量也都验证了这一结论。因此这个问题已经得到解决。


对前两个问题仍在不断探索中。截至目前，有两个理论得到主流物理学界的认同，具有相对最大和最为持久的影响力。第一个是Anderson在1987年提出的共振价键理论（RVB）。共振价键理论指出，电子配对机制深深地印刻在铜氧化物的结构中。近邻的铜原子可以通过化学价键连接，共用的电子自旋相反，形成电子对。通常，键合将这些电子对锁定，防止电子移动产生电流。但是，当材料被掺杂时，这些电子对不再锁定，可以移动，这时候价键的电子形成库珀对，从而凝聚成超导体。


共振价键理论可以同时描述高温超导体电子的局域磁矩行为和巡游电子行为，因此它是描述高温超导体超导配对机制以及超导与反铁磁相互关系问题的一个可行的出发点。


第二个是由David Pines等在1991年提出的自旋涨落理论，在目前的凝聚态物理学界得到了最广泛的支持。它假设未掺杂的铜氧化物母体处于反铁磁有序态。这意味着铜原子上的外层电子按照相邻电子之间的自旋相反的规则来排列。自旋产生的磁场将电子锁定在固定的位置。但是在掺杂的铜氧化物中，外来的掺杂原子破坏了这种刚性的棋盘状图案，从而为自旋的波动提供了空间。运动的电子可以产生自旋密度波。然后，这种扰动将移动的电子吸引到一起，形成库珀对，从而进入超导态。自旋涨落理论在解释铜氧化物和铁基超导体的超导机理时都被人们广泛接受。


然而，高温超导机理研究仍然面临许多困难。比如铜氧化物超导体的正常态是费米弧结构，使得费米液体理论失效。此外，高温超导体中莫特绝缘体中元激发的微观描述、赝能隙产生的物理机理、超导的位相涨落、线性电阻以及电荷—自旋分离等问题，仍不能在一个统一的框架下得到满意的解释。


回顾高温超导机理研究的历史，可以看出共振价键理论和自旋涨落理论是另一种类型的“一阶创新”。与高温超导材料研究屡次获得新的重要发现不同，高温超导的机理研究总是滞后于实验发现，至今仍处于改进、修补BCS理论或扩大其适用范围的常规科学阶段。在新的范式建立起来之前，共振价键理论和自旋涨落理论虽然还不能完全解释高温超导的机理，但其“解谜”能力是最强的。这与BCS理论建立之前的超导机理发展历程非常相似。


从发现超导的1911年到BCS理论建立的1957年，科学家们相继提出二流体模型、伦敦方程、京茨堡-朗道理论等超导唯象理论。虽然唯象理论不是从第一性原理出发，不能解释超导的微观机理，但其发展过程代表了在常规科学的发展阶段科学家如何一步一步地探索：有时候是螺旋式地向前发展，有时候可能只是原地踏步。


人们期望，在理论上的探索还没有得到令人满意的结果之前，用这种方法可以提高认识，也许还可以在解决问题的方向上得到启发。这个道理也同样适用于高温超导机理的发展历程。与超导唯象理论类似，有效推动常规科学的进步，是共振价键理论和自旋涨落理论作为“一阶创新”的意义所在。


表1 高温超导发展历史年表


讨论：“从0到1”何其难！


当代科学史研究的一大难点在于人物、事件距离当下太近，人们常常无法判断一个科学发现是否应该得到记录，如何评估其科学意义，其意义能否经受住更长历史时段的考验。这个问题不仅科学史家难以判断，科学共同体内部也不一定能够达成共识。本文提出了一个重要的判定依据，就是用科学史的方法分析创新的内在特征。


第一，本文用科学史的方法诠释了什么是“从0到1”的原始创新，以及原始创新与一阶创新、二阶创新的关系。以柏诺兹和缪勒发现高温超导为例，“从0到1”的原始创新具有两点内在特征：一是深刻改变研究领域的整体格局和研究面貌，一般开辟了新的研究领域；二是具有颠覆性的范式革新意义，一般建立或直接催生了新的范式。


以超导材料研究中的钇钡铜氧和铁基高温超导体的发现以及超导机理研究中的共振价键理论和自旋涨落理论为例，一阶创新有两种类型的内在特征：一是具有一定的颠覆性，但程度不如原始创新，未能建立新的范式；二是在新范式建立起来之前，最为有效推动常规科学的进步。


在原始创新和一阶创新基础上，其他跟踪性、扩展性的研究，取得比较重要的创新成果的，能够推动常规科学进步的，属于二阶创新。


第二，本文的结论是建立在对高温超导发展历史的梳理和分析基础之上的，不可避免有其领域的特殊性，但也具有一定的普遍意义。观察高温超导历史年表（见表1）可以发现，实验发现一直走在理论发展的前面，在实验中的一阶创新之后往往伴随着一段时间的研究热潮，即常规科学在短期内的迅速进展。而在此之后，又会陷入一个较长的低潮期，长达数年没有重要的研究进展。


对实验反常发现的解释有很多，这表明现有的量子力学框架和BCS理论面临重大危机，预示着新的理论范式亟待建立。这种从常规科学到新范式建立的规律符合库恩的科学革命理论。


第三，科学界、媒体、决策部门应慎用“从0到1”的提法。首先，在一个科学领域内真正称得上“从0到1”的原始创新是非常少的，在高温超导35年的发展历程中只诞生了一个。如果把范围扩展到整个超导领域110年的历史，也只有1911年发现超导、1957年提出BCS理论、1962年发现约瑟夫森效应、1986年发现高温超导等寥寥数次。


其次，运用科学史的方法对“从0到1”的原始创新进行判定和分析，本身就意味着需要经过一段时间的积淀形成“历史”后，才能对其进行观察和分析。一篇论文刚发表在Science、Nature上就立即宣称做出了“从0到1”的原始创新，至少是不严谨的。


再次，在高度重视“从0到1”的原始创新的同时，不能忽视对一阶创新的鼓励和培育。一般而言，没有大量的跟踪模仿和一定的物质基础，很难做出二阶创新；没有良好的科研工作外部条件特别是促进创新的激励制度和文化氛围，很难做出一阶创新；而没有一阶创新的基础，想要直接做出“从0到1”的原始创新，几乎是不可能的。因此，除了营造宽容失败、鼓励创新的大环境，应尝试使用更多评价、激励等方面的政策手段加强培育一阶创新。


致谢：感谢韩启德院士和张藜教授对本文的悉心指导。感谢陈朝宇副研究员、蔡永青博士的讨论。


原文刊发于《科学学研究》2022年第7期（顾超.科学史视域下的原始创新：以高温超导研究为例[J].科学学研究，2022，40(07):1172-1180.），为方便阅读，略去注释和参考文献，并有删改和调整。


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：顾超