[提要] 科学研究与工业发展的关系是很密切的。从固体物理学的三个领域——半导体电子学、干印术、超导——来看，它们通过基础研究解决了一些重大的理论问题，导致了电子工业和计算机工业的蓬勃发展。从科学发现到工业中的实际应用虽然需要相当长的时间，但只要不断加强基础研究，就能有效地填补理论和应用之间的鸿沟，有力地促进新兴科学的发展。当前全世界的基础科学研究有一种值得注意的倾向，即只要求有针对性的研究。这对于发展中的前沿科学和可能产生惊人成就的研究，显然是不利的。而且，以应用为目的的研究如果缺乏基础知识，反而会造成劳动力和经费的莫大浪费。
本文是作者1977年3月1日在日本所作的一次演讲，原载日本《科学》第47卷第7期（1977）。作者是美国伊利诺斯大学教授，曾因发明晶体管和阐明超导理论获1956年度和1972年度诺贝尔物理奖。
在今天的演讲中，我想以我本人的体验，就科学研究与工业发展的关系向诸位作一个介绍。我所研究并直接有体验的是三个不同的领域——半导体器件、干印术和超导。一般说来，这三个领域都属于固体物理学，但就科学研究的重要作用来说，情况又各有不同。
所有的技术革新几乎都是首先认识到某种必要性，然后再寻求达到目的的手段。如果利用已有的技术能满足这种必要性，就没有新的科学介入的余地。但出现的情况往往是，知道某种必要性，而谁都不清楚达到目的的手段。这时就必须发展新技术，而扩大科学知识或发展新的科学就常常是必要的了。
科学难题偶然的、意外的突破是很少有的，但它会带来新的成果。这种发现一般产生于大学或以基础研究为目的的研究所。一旦有了突破，就可能诞生崭新的技术领域，原子能、抗菌素、计算机技术、半导体电子学、激光等就是几个实例。一般说来，从科学发现到工业中的实际应用需要相当长的时间。因为生产有用产品，必须大幅度地发展新技术。科学的各种进展之间都是相互依存的，某一领域发现的新理论或技术，有时会对另外的领域具有很重要的意义。
目前，全世界的基础科学研究面对着恼人的压力，这就是预算缩减和要求进行有针对性的研究，即奉命进行短期内可以还原为技术的研究。这种倾向对于加强大学与企业的相互促进也许是有利的，但会造成发展中的前沿科学得不到适当的预算，妨碍可能产生惊人成就的研究，因而是有害的。而且，以应用为目的的研究计划如果缺乏解决问题所必需的基础知识，也会造成经费的、劳动力的莫大浪费。
科学研究对工业发展的影响
现以上述三个领域——半导体电子学、干印术和超导为例，较详细的评论科学研究对工业发展是多么有用。这三个领域都与固体物理学有关。
固体物理学根据凝聚物质的电子和原子结构，研究其各种性质。这一学科是在二次世界大战结束时迅速发展起来的，当前已成为物理学的最大分支。研究人员的数量大约每五年增加一倍。单就美国来说，取得博士学位的固体物理学家已超过4000名，全世界的人数就更多。他们的兴趣有的在于应用，有的在于科学研究。
固体物理学的应用面是很广的，如电子学中的半导体，变压器、磁带和计算机储存器中的磁性材料，光源或显示器用的荧光物质，干印术用的光导体，磁电机用的超导体等等。电子通讯、计算机工业的惊人发展应归功于固体物理学的研究成果。就电力工业来说，半导体整流器已广泛使用，超导体的大规模应用也为期不远了。固体物理学的进展所引起的新产品，价值每年达几百亿美元。
a. 半导体电子学
第二次世界大战以后，固体物理学已达到了可以应用的成熟阶段。继二十年代海森堡和薛定谔等人发展了量子力学，三十年代在理论上理解固体的各种性质方面，又确立了坚实基础。但是理论与实验之间还有很大的差距。主要原因是半导体的电导率、光导率，甚至连机械强度都对构成物质的成分反应灵敏，即对固体结晶中的极微量不纯物质或其它缺陷很敏感，并易受影响。人们指望通过强有力的研究，填补理论与实验之间的这个鸿沟。
贝尔实验室对这一点认识特别明确，在1945年下半年，即第二次世界大战一结束，就组成了固体物理研究小组。我也参加了这个小组，同沃尔特 · 布拉顿、威廉 · 肖克利等和其它小组成员协作，接受了半导体的入门训练。
半导体的导电性能方面居于金属和绝缘体之间。金属因原子的外层电子在结晶内自由流动，属于良导体。绝缘体的电子由于价键的排列或其它缺陷，不导电或导电能力极差。在半导体中电子传导电流有二种方式：一是传导电子——即传导超过化学键必需数量的过剩电子，一是空穴，即化学键必需数量的不足部分。由于电子具有波动性，空穴表示各点都带上了正电的粒子，导电或由带负电荷的过剩电子进行，或由带正电荷的空穴进行，或由两者进行，这是由结晶中不纯物质或缺陷的性质所决定的。即使是百万分之一或不到百万分之一的不纯物质，也会大大影响导电。
半导体研究的最终目的，是发现控制半导体中电子流动的方法，排除真空管特有的缺点，起到放大的作用。肖克利从理论上指出，放大作用应是可能的。但怎样最终达到这一目的，谁都不知道。因而决定研究的方向不是如何研制放大器，而是加深对半导体中电子流动的了解。我们对研究所取得的知识，采取尽量利用其中有用部分的态度。
我们决定研究半导体中锗和硅的物理性质。锗和硅是化学元素，同半导体化合物相比，应该是容易了解其物理性质的。而且在第二次世界大战中，锗和硅曾用于研制雷达检波器，已有很大的发展。检波器实际上是一种整流器，电流沿着一个方向流动比沿逆方向流动要容易得多。雷达所用的频率很高，检波器不宜用真空管，于是用“触须线”的检波器问世了。这就是把非常细的金属压在半导体结晶表层。当时已知道可以用硅和锗，但硅的效果更好一些。
我们研究组的组员在大战中都没有研究过半导体。通过共同的研习和讨论，熟悉了文献资料，从而开始研究锗和硅的块状整体的性质和表层性质。肖克利提出，对半导体薄膜施加侧向电场以控制电流，但早期的实验中没有观测到这种效应。布拉顿和我努力尝试从锗的表层观测这种效应，结果发现了使半导体传导率发生变化的新方法，即在适当的接点导流入电流。由于这一发现，1947年下半年发明了最早的晶体管。此后由于平导体技术的发展、肖克利提出的利用电场效应的方法也使用了。现在上述方法都已应用于半导体器件中。
发明半导体之后的一段时期中，半导体装置的研制是与半导体的基础研究结合起来进行的。当时为了半导体装置的研究和生产，制备了高纯度的或精心控制其组织成分的销和硅的大块单晶，它对半导体各种性质的基础研究起了极其重要的作用。随着半导体理论向深度和广度发展，许多有关性质的细微之处都确立了理论与实验之间定量的一致。有好几年，半导体研究成了物理学研究中一个风行的领域。在这个期间，对半导体的科学研究，无论是理论还是实验，大部分都由企业的研究所进行。与这种科学研究相平行，新开创了涉及面广的半导体电子技术。每1～2年就有新的突破，随之人们就眺望到新的地平线，即使在今天也不能认为已达到发展的终点。对半导体研究来说，科学研究与应用的关系如此密切，其它领域恐怕还比不上。一个研究人员往往既从事科学研究，又进行应用探索。在半导体技术革新中，日本也是领先者之一。诺贝尔奖金获得者江崎玲于奈发明隧道二极管就是一例。此外，各大学也都制订了半导体科学研究方面扎实的研究计划。
1951年夏在贝尔实验室举办的夏季学校，我向60名以上的大学教授讲授了半导体的科学基础。1950年出版的肖克利的那本优秀教科书产生了很大的影响，目前各研究所都作为教科书使用。
b. 干印术
科学研究对工业发展起作用的第二个实例是干印术。它作为一种摄影复制方法被广泛运用。干印术一词起源于古希腊语，意思是干的笔记。它主要是由切斯特 · 卡尔森所发明的，但经过许多年的研究才应用于实践，从最初发明到现在已过去了四十年，研究还在急速进展之中。这个方法是使光导体表面带电，然后把被摄的影像照射在光导体上，有光照射的部分发生放电，在光导体上留下静电潜像，把它加以传送、显像，便形成了复制品。
我当初担任海洛伊德公司（即后来的泽罗克斯公司）的顾同时，在普通住宅改建成的几个实验室中从事研究活动，每年销售额在五千万美元以下。1960年采用了使整个过程自动化的设备，一秒钟不到就可复印在白纸上。前全世界的销售额每年已超过40亿美元。日本厂家也在考虑研制新型复印装置，同泽罗克斯公司及其在日本的子公司竞争。
静电学是物理学中最古老的学科之一，而又是长期被忽视的学科之一。对光传导的各个侧面虽然进行了许多研究，但对物质中的电荷移动，特别是干印术所要研究的电荷移动几乎没有作过研究。就是说，对这一方面的技术无所了解，还属于最初的尝试，必须展开大量的基础研究。早期的复印装置大部分是根据经验设计的，这也是迫不得已。
光传导对构造成分的反应灵敏，研制中采用经验手法代价高，但这种情况在工业中是常见的。不了解实质性的因素，要维持产品的规格是困难的。生产上出现问题，要查明原因加以解决，是不容易的。但随着岁月的消逝，收益增多了，基本方法的基础研究有了进展。随着理解的加深，干印术所用的经验方法正逐步被科学的工艺设计所取代。还发明了对成像和显像过程更适用的新材料。复制的质量和速度也大幅度地获得改善有了这些改良，新产品的研制才成为可能。而这种改革又需要长时间的努力，现在还在努力研究之中。
如上所述，对于干印术而言，基础研究对加深理解和发现新材料起了促进作用，但成果，不是戏剧性地突破疑难点，而是一种可称为进化的改革。
c. 超导
超导是许多金属、合金在极低温度下发生的现象。将金属冷却到固有的临界温度以下，电阻就完全消失了。处于超导状态的线圈一旦通过电流，即使不加电压，电流也会持续流动。目前全世界的研究机构都使用装有超导线圈的磁体和其它超导装置。一些国家正在探讨地下超导输电，以及电动机、发电机和电力系统大规模应用超导体的经济价值。从量子角度利用超导现象研制的高灵敏度仪器，对于科学研究以及可能对医学应用都有重大意义。超导是意外的科学发现与应用相结合的一个突出例子。
超导现象是1911年荷兰的卡梅林 · 奥涅斯发现的，他在发现液化氦的方法时发现了超低温产生的超导现象。在以后的五十多年中，对这一现象的兴趣只局限于科学领域，对此所做的研究也只限于大学的研究所。超导体研究是物理学的一个重大课题，长期未获解决。1957年利昂 · 库珀、罗伯特 · 施里弗和我根据以量子论为基础的BCS理论，对此作了解释。
量子论的发展起源于阐明原子和分子中电子的性质。超导体表现了量子的宏观现象。BCS理论不仅仅解释了超导体已知的那些性质，还有助于预测新的效应。由于这个理论的发展，引起了人们对这一学科的很大兴趣，进行了许许多多的研究。
60年代初期有两项发现导致了崭新的应用。一是发现了在很高的磁场中也具有超导体性质的合金。这种金属线一旦通上电流，就不再需要更多的电力了。用这种金属线可以制成高磁场用的磁体，目前国际上的一些研究所正使用这种磁体。陆地上高速运输用的磁悬浮列车也打算用这种磁体。目前日本正在考虑研制同著名的东京——大阪新干线并行的、时速五百公里以上的列车。如果一切顺利，将来也许有一天会行驶这样的列车。
如前所述，目前正在探讨把这种超导金属线应用于电力工业，应用于地下输电或小型电动机、发电机的可能性。
另一项发现是约瑟夫森效应。这是1973年同伊凡 · 贾维尔和江崎玲于奈博士同时获得诺贝尔奖金的布赖恩 · 约瑟夫森发现的。他根据BCS理论预言，超电流能流过把两个超导体分隔开来的一层很薄的绝缘层，还预言了服从有关超导量子力学的效应。这给目前最灵敏的磁性检波器奠立了理论基础，可用于测定微电流和电压，也可以用来测出高频电磁场。令人意想不到的是，还可利用约瑟夫森效应提供标准电压。但这个效应最重要的应用，是用到计算机上。人们还利用约瑟夫森效应设计了超导电路，它的运转速度为半导体电路的一千倍，而功耗只有后者的千分之一。如这一点具有充分可靠性，将来可用于大型计算机的研制。
从上述简短的历史可以看到，重大的科学发现付诸应用，需要花费很长的时间。解决许多低温工学的技术问题之后，最后才产生大规模应用的可能性，但目前是否能实现尚无把握。也许在5～10年之中得到解决。但十分清楚的是，在科学领域中将来超导的应用是十分广泛的。
工业界的基础研究
从上述三个例子就可以了解到科学研究在各个方面对工业发展的影响。
下面我想谈一谈，以应用为目的的研究所，把一部分努力放到加深对基础科学的了解上，也是有利的。谈一谈其理由是什么，为此目的需要什么样的研究环境，以及哪些因素与选择研究范围有关等等。人们往往认为，研究的主要目的是寻找将导致重要发明或技术革新的突破口。假若找不到这样的突破口，有人就认为这种研究或该研究所濒于失败了。
但是更加重要的，是对工业上的研制与技术所起的间接作用。一个从事基础研究的研究所如果没有组织得能够充分吸取这种间接作用，这个研究所无异是失败的。从事基础研究的人员，必须明确协助其研究计划的企业的长期目标。必须通过工程技术人员来充分了解，企业所关心的技术在进展中所存在的重大问题。研究范围必须慎重选择。一经选定范围，就应进行顽强的研究活动，长期走在该领域的最前面。那些不具备充分的规模或能力的基础研究组织，可以说没有什么价值。
科学研究的方向总是扩展知识面，加深理解，目的不在于应用。
总之，我认为科学研究的目的在于认识，但许多良好的基础研究工作把应用放在目标之中，于是出现了强调目标中的哪一方面的问题，基础研究与应用研究不能明确加以划分。往往同一个人既从事基础研究又开展应用研究。
可以认为，采用高级技术的、具有大规模应用研究计划的工业，易从科学研究（基础研究）中得益，即使是比较小型的企业，如果对自己关心的某一科学领域制订了研究计划，也能够利用科学上的新发现。
技术革新的一个条件
几乎所有的技术革新都是适应需要而诞生的。我认为，从事基础研究的研究所长期间完全脱离教育、应用研究和工程，要取得成就是不大可能的。
为了从研究中获得间接的利益，研究场所和有关的研制、技术工作场所必须设在靠近的地方。这种研制、技术人员和研究所的往来，对双方都是有益的。
研究目的在一定程度上是受到限制的，而且选择的研究范围也受到一定限制。但从事基础研究的人们在一定范围内应能自由选择自己的研究课题。对于基础科学研究人员，应鼓励他们将研究成果发表在专业杂志上，并动员他们参加各种科学会议和学会等。还应鼓励他们去大学访问讲课。由于科学迅速发展，只有参加世界性的科学活动，特别是那些与自己有关领域的科学活动，才能使研究者了解国际上的情报。从这个意义上说，基础研究的科学家们能够成为非常重要的交流渠道。
决定一个研究所是否取得成就，很重要的一点是选择研究项目。有时研究项目取决于与新技术发展有关的大问题。例如电话、电视、原子能、宇宙开发计划以及最近的太阳能发电等。在这种重要的研究计划中，为克服技术上的问题，需要进行极其大量的基础研究。倘若技术人员赶在必要的技术发展之前，可能浪费很大的经费。
对于已经形成的工业来说，研究的目标应当是：从理论上分析有重大的进展可能，但实践中无法解决的项目。第二次世界大战后，贝尔电话研究所的基础研究选择半导体这个项目，就是一个很好的例子。当时的情况是，由于灯丝过热，真空管的效率非常低，寿命也短。如何解决这个问题谁也没有把握，但从理论上看，控制半导体中电子的流动是可行的，人们认为经过持续的研究，能找到解决问题的突破口。
大学开展基础研究对工业发展的意义
下面我想谈一谈以纯粹科学研究为目的的大学基础研究为何对工业发展有重大价值。
在过去30年中，科学研究以空前的速度发展，不仅有经过非常周密研究的领域，还开创了全新的知识领域，如高能物理学、天体物理学、大陆漂移学说和固体物理学等研究分支。如果说，了解人类自己居住的世界是人类最高尚的希望之一，那么科学的意义就在于此。
大学是国家的主要工业界关心的一个方面，应该具有扎实的科学研究计划。这种研究不单纯是直接为有关技术提供科学根据，还应针对工业界所关心的领域对学生进行教学。促进大学里开展的研究，特别是那些令人跃跃欲试的尖端研究，将唤起优秀学生对科学的关心，吸引他们热爱科学工作。
需要有一个强有力的科学计划的另一个原因，一般来说，是科学家比技术人员受到更广泛的训练，对新发展的领域容易入门。雷达、原子能和近炸信管或其它在二次大战中发展的技术，主要是由科学院的科学家发明的。因此对科学家进行技术教学要比对技术人员进行新技术教学更容易一些。就日本的电子工业发展来说，如果不是受过充分训练的科学家和技术人员大量集中到这个部门，这个发展是不可能的。
以上列举了好几个理由，谈了为什么在大学和工业界中以实用为目的的研究所必须促进基础科学研究。从现今的国际趋势分析，过于强调有目的的研究或短时间内出成果，就不能正确看待扎实的基础科学研究计划将产生的间接成效。为了最大限度地利用这种间接成效，科学研究与应用研究之间必须进行密切的交流。此外，企业所属研究所的研究活动和大学的研究活动、特别是工科大学的研究活动之间，必须进行交流。这样，企业所属研究所中就有人对科学尖端有所了解，而大学里也有人熟知工业界的发展情况。
（许立达译，金凡、许立言校）