第一篇 总论篇
第一章 人类历史就是一部硬科技发展史
一、宇宙发展背后的底层规律
星河璀璨，日转星移，雷鸣电闪……仰望天空，是人类最深邃的沉思——宇宙是什么？宇宙是如何形成的？宇宙有无边际？是什么在支配着宇宙的运转？自人类诞生以来，对宇宙奥秘的探索始终没有停歇。
从宗教神话到哲学思辨，再到经验观察总结，进而到今天依靠科学实证的方式，几千年来人类依靠聪明才智试图探寻宇宙的真相及其背后的支配力量。尽管到目前为止，人类关于宇宙的所有探索和想象，都还未能完全揭开真相，但是随着人类认知水平的提升，我们离真相会越来越近。
最初，人类在解释雷鸣电闪、地震、狂风暴雨等自然现象时，认为在这些现象背后存在着一种超自然力，为了消除内心的恐惧和危机感，逐渐将这一超自然力人格化，由图腾逐渐演变为万能的造物主，并希望通过对这些主宰力量的崇拜和敬畏来获得安宁。此后，人们不断畅想造物主如何创造了宇宙，并通过这种畅想开启了人类对宇宙规律的探索和认知。从西方人认为的宇宙万物的主宰者是上帝，到我国古代的“盘古开天辟地”等，人类在宇宙的形成上似乎默契地达成了关于人类历史第一认知的共识，即宇宙是由“神明”设计和创造的。
后来，古代学者们从哲学思辨的维度开启了人类探索宇宙机理的新视角。古希腊哲学家阿那克西美尼认为宇宙本源是一种无限的气，万物都是由于气的凝聚程度不同而形成的：火是稀薄化了的气；当气开始凝聚时，先变成水，再凝聚为土，最后就成为石头[1]。赫拉克利特认为火是万物的本原，“一切事物都化成火，火也化成一切事物”。毕达哥拉斯则认为存在着许多但有限个世界，并坚持认为大地是圆形的。亚里士多德创立了运行的天体是物质实体的学说。中国的古先贤也从朴素的哲学思辨角度去探索宇宙的本原和运行机理，描绘了从宇宙初始到万物生长的规律。与国外哲学家们侧重将宇宙本原归为某一具体物质不同，古代中国学者普遍认为宇宙受某种规律支配，这种规律就是《道德经》里讲的“道”、《太极图说》里讲的“太极”，以及阴阳五行学说里的“阴阳”。宇宙在这些规律支配下从无到有，生生不已，大化流行。
此外，人类通过对天象的经验观察，也总结了对宇宙学说的一系列认识，如“宣夜说”“浑天说”“盖天说”等，最直观的“天圆地方”“地心说”等都体现出人们对揭开宇宙奥秘的渴望。
而科学的出现，首次让人们能系统地认识宇宙，并了解到其中的自然规律。科学的诞生与萌芽，经历了漫长的积累过程和多个发展阶段。从广义上来看，科技在人类早期便出现了。在文化人类学中，将能够使用语言、具有复杂的社会组织与科技发展的生物，特别是能够建立团体与机构来达到互相支持与协助目的的生物，定义为人。可以看出，人类学将科技发展作为人区别于其他动物的一种天然属性。在科技发展早期，主要表现是人类对于工具的创造和使用，如对于石器、火的应用。
现代意义上的科学思想发源于哲学。在哲学的孕育下，科学思想和方法逐渐形成，并催生了现代科技。对世界本源的研究——世界的本质是什么、由什么构成等问题，一直是哲学家永恒的研究主题之一，这促进了自然哲学的萌芽和形成。在早期科学还未从哲学中完全脱离出来之时，基于此类问题的研究为现代科学的形成孕育了理论内核，提供了方法支撑。如古希腊早期哲学中的米利都学派，将特定物质作为世界的基本构成，并在此基础上形成了一套研究世界的理论体系。
在讲到哲学对近代科学思想的贡献时，不得不提到哲学两大思想流派——理性主义和经验主义。这两种思想流派为近代科学的形成提供了重要的支撑。理性主义认为，推理可以作为知识来源的理论基础，并在数代哲学家持之以恒的追索下，形成了一套演绎理论。曾说出“为真理而怀疑，为怀疑而献身”的苏格拉底，认为获得真理需要不断地推翻再论证，为科学思想中求真提供了思想源泉。此后，亚里士多德搭建了逻辑体系的大厦，构成了现代科学方法的内核。在哲学家追求真理、论证世界规律的过程中，数学思想逐步得到关注和发展，为现代科学的诞生提供了重要的工具支撑。毕达哥拉斯最早将数学引入哲学思想中，提出了毕达哥拉斯定理（即“勾股定理”），并坚持数学论证必须从“假设出发”，掀起了演绎逻辑思想思潮。到笛卡尔、斯宾诺莎、莱布尼茨时期，数学思想在解释世界本原中的运用达到了高峰。
经验主义则从思想的另一端开启，认为知识来源于经验，真理是在对一个又一个经验进行观察的基础上，通过归纳而获得的。经验主义在培根、霍布斯、洛克等先驱的推动下，为人类观察世界、认识世界提供了新的方法和视角，推动了近代天文学、物理学等学科的发展。基于经验主义的传统，实证主义则从方法论的视角对经验主义进行了丰富和完善，把现象当作一切认识的根源，要求科学知识是“实证的”，通过对现象的归纳可以得到科学定律。
正是哲学家在追求真理征途中持续涌现的新理论和新方法，以及一套涵盖数学与实验、假设与验证、归纳与演绎、分析与综合等的哲学理论与方法的珠联璧合，最终催生了近代科学方法，也推动了近代科学萌芽并使其从哲学中独立出来，自成一体。自此之后，科学开启了人类认识世界、了解宇宙的新篇章。从哥白尼、塞尔维特、开普勒、伽利略等自然科学先驱，到牛顿、达尔文、伦琴、麦克斯韦、道尔顿、勒梅特等近代科学集大成者，再到现代为我们所熟知的爱因斯坦、霍金以及每年涌现的一众诺贝尔获得者，他们推动着人类科学的全面进步，从各个角度和切入点剖析着世界的本质。
当然，在人类认识宇宙的众多科学探索中，宇宙大爆炸学说是较为系统且有影响力的现代宇宙论学说，被人们广泛接受和认可。1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸，宇宙便是在大约140亿年前发生的一次大爆炸中形成的（见图1-1）。爆炸之初，物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在[2]。宇宙爆炸之后的不断膨胀导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。科学家在不断的探索中发现，在宇宙漫长的扩张过程中，存在四种宇宙基本力——万有引力、电磁力、强核力、弱核力，它们支配着宇宙的运转。
图1-1 宇宙的发展演变
基于对宇宙底层规律的认识，人类发明了改变世界发展进程、推动社会进步、使人类生活发生根本转变的科学技术。人类开始利用工具，通过严谨的数学演算和测量，逐渐认识到引力、相对论、量子、电磁等宇宙发展的底层逻辑和规律。科学的进步，使人类在错综复杂的宇宙变化面前不再那么茫然无措。人类利用自然、改造自然的能力越来越强，科学越来越广泛而深入地渗透到人们的生产、生活和思维等方面，使人类在适应宇宙变化时显得愈发游刃有余。尽管我们利用科技去认识无边无界的宇宙的尝试，只是在无限黑暗中戳开了一个针眼般大小的光明之眼，还未能完全揭开宇宙的真实面纱，但是至少，人类在有限的范围和界限内，捕捉到了一缕真理的光芒，它虽然很微弱，却能改变和影响人类的生存和走向。
二、科技主导人类文明中心的变迁
秉持“第一性原理”，从物理最基本的要素——物质、能量、信息、空间和生命出发，深入事物的本质挖掘人类科技发展的主脉络。人类的科技创新基于人类生存、生活和生产等需求，在上述几大领域持续创新、突破与迭代，推动着人类社会的进步、生活方式的转变和世界的深度变革。科技已成为孕育人类文明最根本的动力。随着最前沿科技的不断孕育和变迁，人类文明中心也随之发生迁移。
⦾科技铸就华夏农业文明霸主地位
人类曾有长达数百年的时间靠渔猎采集为生，这个时期的人类在实践活动中会偶然性或者被动性地创造一些工具，以满足生活的需要。大约在1万年前，人类偶然间完成了小麦的育种与山羊的驯化工作，并在小范围内实现了日出而耕的生活，此后在全球范围内扩展，完成人类社会发展史上一次跨越式进步。农业的出现，是人类社会发展史上一个巨大的转折，标志着人类开始拥有主动改造自然的能力。此后长达数千年内，人类在“第一性原理”的支配下，围绕农业生产生活，在物质、能量、信息、空间和生命领域开启了科技创新的新征程。此时科技尽管还未成为社会第一生产力，却推动着农业社会实现了划时代的发展，带来人类历史上第一次大规模的生产力解放。
人类社会五大技术领域的第一次突破性变革
铜、铁等物质科技的创新突破使人类逐渐摆脱对石、木、蚌器的依赖，为农业科技发明夯实了材料基础，促进了犁、锄、锸、铲、镰、斧、凿、锥、削等农具的发明，它们成为农业社会的主要生产工具，使农业生产效率得到大幅提高，促进了生产力的发展，奠定了农业社会经济繁荣的物质基础。
水车、风车等技术的发明是人类对能量应用的一次伟大尝试，也是人类动力史上的一次重大突破。人类首次在人力和畜力之外，开始利用水能、风能等机械能和天然能源开展生产活动，为农业灌溉提供了动力支撑。这在一定程度上解放了农民的双手，使单位劳动力能够开垦更多土地，养活更多人口。
造纸术、印刷术的发明是人类沟通交流和知识传承上的一次重大突破，也是人类信息技术史上的一次重大进步。人类信息交流、保存、积累和传播的成本大幅降低，并突破时间和空间的限制，推动信息和知识开始大规模代际传承，也使知识大范围传播成为可能，为区域思想的统一、农业文明知识和治理体系的形成奠定了基础。
马车、帆船等交通技术的发展使人类不再完全依靠脚力行走四方。如果说信息技术的进步让人类交往突破了时间的限制，那么马车、帆船的发明则使人类交往在突破空间限制上迈出了一大步。跨区域交流的日益频繁，为农业文明国家的形成奠定了基础。马车，作为当时最先进的交通工具，承载着人类物流的使命走向远方。
中医的进步，是人类生命科学史上一个重要的里程碑。钱学森曾对中医有很高的评价，认为中医是顶级的生命科学。尽管其在治愈天花、肺结核等流行性疾病及先天基因缺陷等疾病上与现代医学相比表现得不尽如人意，但是其开始摆脱神学巫术传统。无论是古希腊医学的“四体液学说”，还是中医的“阴阳五行学说”“精气说”，都开始从人体自身视角去了解生命内在的奥秘，为现代医学的起源奠定了基础。
中国引领了全球农业科技变革
在全球农业科技变革的历史进程中，毫无疑问，中国起到了引领作用，成为世界农业文明中心。在长达千余年的农业文明阶段，中国拥有全世界最前沿的科技，是当时全球最顶尖科学家的聚集地和全球原始创新的发源地。张衡、祖冲之、张遂、李时珍、郦道元、孙思邈、沈括、郭守敬、宋应星等当时世界顶级科学家的贡献，使我们在数学、生物医药、天文物理等方面引领全球发展（见表1-1）。
表1-1 《中国的世界纪录》中收录的中国古代科技成果
在物质科技方面，中国冶铜技术领先全球近2000年。从商代起，我国开始使用陨铁；到西周晚期，又发明了“块炼法”冶铁技术。春秋时期，我国开始发明铸铁技术，而欧洲在13~14世纪才开始使用该技术，比我国晚了近19个世纪。
特别是战国时期我国发明了生铁柔化技术，这是人类冶铁技术上又一变革性突破，比欧洲早了2 000多年。生铁柔化技术等物质科技的进步，推动了我国以铁为基础材料的农业应用技术的发明，我们研发出锸、锄、、镰、犁等农业生产所必需的生产工具，并将其逐渐广泛应用于农业生产，使我国的农业生产力得到大幅提升（见表1-2）。
《国语·齐语》记载，“美金以铸剑戟，试诸狗马；恶金以铸
、夷、斤，试诸壤土”，描述了我们在农业应用技术方面的创新。尽管以现在的科技水平来看，这些技术显得并不那么高大上，但在农业文明时代，它们却是实实在在的核心技术，支撑着农业的发展和生产力的不断提升。
表1-2 中英古代农民五口之家劳动生产效率比较
在能量技术方面，我国水车发明于汉代，后经孔明改造完善在蜀国推广应用，到隋唐时大规模用于农业灌溉，至今已有1 700余年的历史。全球信息领域变革性技术——造纸术、活字印刷术，都是我国发明的。生命科学技术方面，中医对人体生命活动和疾病变化规律的探索，以及研究人的生理学、病理学、诊断学、治疗原则和药物学等方面的成果，都是在长期的临床实践中取得的，其整体观和辩证论的医治理念，以及“望闻问切”四诊合参法都延续至今，并成为日本汉方医学、韩国韩医学、朝鲜高丽医学、越南东医学等的基础，特别是全球西医治疗也越来越多地学习和研究中医。而同时期的古希腊医学已经被现代医学所取代。
科技的领先让中国成为世界文明中心
对前沿科技的掌握，使我国成为农业文明阶段的全球经济中心、文化中心、贸易中心。在长达千余年的农业文明阶段，中国拥有全世界最先进的生产力。自汉朝以来，中国经济总量占世界的份额持续增长，我们创造的物质财富最高时甚至一度占全球财富总量的80%（见图1-2）；即使在1800年农业文明的没落阶段，也占据着全球32%的份额，之后再也没有哪个国家能达到这种水平。即使是工业文明的王者英国，以及现在的超级强国美国，也未曾取得如此成就。一千年后的西方人说：“一千年前的中国经济总量占当时世界的60%，东京（宋朝都城）一个看城门的兵吏，都要比西方同期任意一个君主的生活强”。
图1-2 我国历朝GDP全球占比
此外，农业技术的创新，如水稻栽培技术、养蚕技术、茶树栽培技术、陶瓷技术等，使我国占据当时全球产业的制高点，在国际贸易中占据有利地位。丝绸、瓷器沿着丝绸之路，穿越绵延7 000公里的漫漫长路到达世界各地，彰显着中国强大的文明。
作为世界文化中心之一，中国拥有全世界最顶尖的思想家，引领着当时人类文明和思想的潮流。早在先秦时期，我国学术思想已经逐渐体系化，阴阳、儒、墨、名、法、道、纵横、杂、农、小说“诸子十家”百花齐放，出现了一批如老子、墨子以及“孔孟朱王”等至今仍被全球思想界广泛研究的思想大家，为人类历史留下一批包括《道德经》《易经》等在内的宝贵的思想和文化财富。
科技支撑中国搭建起符合农业文明内在发展逻辑和生产力发展规律的思想、文化和技术体系，最终使我们登上农业文明之巅，铸就了千年中华文明的辉煌。而中国科技的影响远不止于此，对下一代工业文明的诞生也产生了深远的影响。
指南针的发明，使人类突破空间界限，开始走向融合，成为西方“大航海”时代最关键的核心技术支撑之一。火药则推动人类由冷兵器时代进入热兵器时代。
“火药把骑士阶层炸得粉碎”，马克思如是说。火药的出现和应用对人类社会变革产生了深远的影响，欧洲骑士阶层开始没落，背后是欧洲整个封建地主阶级的衰亡和资产阶级的兴起，为欧洲思想的解放以及工业革命的产生和人类工业文明的崛起奠定了基础，将农业封建制度的坚固堡垒轰开了一道裂缝，社会变革性发展从这道裂缝中汹涌而来，人类开启了新的征程。
科技，曾经让中国站在了人类文明的中心。
⦾机器驱动人类文明中心西移欧洲
农业科技的进步使中国保持了长达数千年的繁荣，而正当我们享受这片繁荣时，人类科技史上一次重大变革正在大洋彼岸孕育。自公元5世纪以来，欧洲经历了一段长达千年的中世纪黑暗时期，在这个时期欧洲文明进入了一个缓慢的发展阶段，战争连绵不断，瘟疫肆虐，人民被宗教禁锢。到15世纪左右，欧洲社会到达了变革临界点。资本主义在欧洲萌芽，工场手工业和商品经济获得快速发展，新兴生产力迫切需要突破传统禁锢，最终以文艺复兴、宗教改革运动和启蒙运动为代表的思想解放运动在欧洲爆发，欧洲思想获得巨大解放。自然科学在这个时期得到快速发展，哥白尼、开普勒、伽利略和牛顿等近代科学先驱相继涌现。同时，随着大航海时代的开启，欧洲打开了全球市场，其内部生产规模和效率已经难以满足市场的需要，在科学思想的支撑下，提高技术、改进工艺成为必然选择。在各种因素孕育下，人类5 000年历史上最重要的事件——工业革命最终在欧洲爆发。在蒸汽机的轰鸣声中，人类文明中心转移到了欧洲。
人类科技五大技术领域的第二次突破性变革
工业革命推动人类社会在物质、信息、能量、空间和生命科学领域再次发生变革性突破，人类社会面貌、生产生活方式也再次发生颠覆性变化。
前两次工业革命最具突破性、影响最深远的是蒸汽机、内燃机以及电力的发明创造，这是人类对能量应用方式的又一次重大突破，使人类使用能源获取动力的方式发生了质的变迁。化石能源替代畜牧力、水风车能等原始机械能，为蒸汽机、内燃机等机器提供动力基础。机器的运转，使人类的双手在社会生产生活中第一次被全面解放出来，推动人类社会由农业手工业向工业化大生产华丽转身，全球生产力得到了极大的释放，促使欧洲率先避开了马尔萨斯陷阱，使人类告别阶段性崩溃，世界经济从此进入指数发展阶段。
1848年，马克思、恩格斯在《共产党宣言》中指出：“资产阶级在它的不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切世代创造的全部生产力还要多，还要大。”从公元元年到1820年，近两千年的时间里，全球人均GDP仅增长50%，年增长仅为0. 025%。而工业革命之后不到两百年的时间里，全球GDP从1820年的约7 000亿美元，增长到了2019年的约90万亿美元，增长了约128倍。
能源和动力技术的变革推动了交通技术的进步。蒸汽机、内燃机支撑人类交通技术产生翻天覆地的变化，火车、汽车及飞机的发明创造让人类在全球自由穿梭，人类空间仿佛一夜之间被压缩了几个维度，全球开始走向大融合。
钢铁、塑料、硅等物质材料技术的发明，特别是工业之母——钢铁的出现，推动人类生产生活产生深远变革，枪炮车船、铁路大桥等工业产品如雨后春笋般涌现。
电力、电磁技术的突破推动了电话、电报的发明和使用，人类突破了笔墨纸砚的束缚，信息技术的发展使得以语言为媒介的信息交流从此划破时空阻隔，推动人类沟通效率大幅提升。
现代医学、生物学的出现，开启了人类生命科学的新篇章。以细胞学、解剖学为代表的学科发展，使人类医学理论全面摆脱神学、哲学，开始真正利用科学手段去揭开生命的奥秘。人的寿命实现第一次质的提升，全球平均寿命从30岁延长到45岁，人类在追寻“长生”的道路上取得突破性进展。
欧美取代中国引领了科技变革
长达数千年引领全球科技发展的中国，一夜之间在世界奔向未来的征程中掉队了。而更让全世界意想不到的是，经历了长达两百余年的思想冲突、国家内部混乱和各国之间混战的欧洲，成为了这场工业变革和科技突破的全球孕育地。18~19世纪长达两个世纪全球前沿技术和创新成果几乎全部诞生在欧美，将全球巨轮推向了新的航程。
英国在全球范围内率先引爆这场变革，几乎垄断了当时全球最前沿的科技创新。1785年瓦特制成的改良型蒸汽机投入使用，并快速在全球范围内推广，开创了以机器代替手工劳动的时代，推动人类社会进入“蒸汽时代”。英国也借助这次科技创新，完美实现了人类历史上农业落后国对农业领先国的“换道超车”——在农业文明全球格局坚不可摧的局势下，依靠科技在能源和动力技术领域的创新突破开启了工业化文明。英国国内催生了纺纱织布、煤炭开采、钢铁冶炼、铁路运输、船舰建造等现代工业，这让英国成为当时世界上最强大的“日不落帝国”，号称“世界工厂”，称霸世界达半个世纪之久。因为科技，英国用不到一百年的时间就改变了国际格局。
英国实现这次“换道超车”看似是“无心插柳柳成荫”的结果，却成为后续几百年——甚至到今天为止——全球发展格局的一条“铁律”——把握住能够影响未来产业突破性变革的关键核心技术，将助力这个国家在全球范围内实现“换道超车”。之后，德国、日本和美国都遵循这条铁律实现崛起。
搭乘第一次工业革命浪潮汹涌而来的第二次工业革命再次在欧美爆发，大量科学与技术成果在欧洲和美国诞生，科技领先国依靠在能源与动力、交通等技术领域的突破，实现了人类历史上著名的第二次“换道超车”——“电气化”时代。
德国似乎首先领悟了人类社会发展的底层奥秘，在能源动力与交通技术两大领域发力，电动机、内燃机、大功率直流发电机等重大科技创新相继在德国诞生，不仅催生了西门子、戴姆勒等当时世界上的科技独角兽企业，也使德国一跃成为全球交通科技的引领者，为德国带来了赶超强国的强大动力。
紧随而来的是美国，它以极大的热情迎接了电气革命的到来，科学研究和技术发明以更大规模和更有组织的方式得以广泛开展。汽车、飞机、电灯、电话、电报等直到今天还是人类生活必需品的科技发明在美国诞生，为美国日后的崛起夯实了基础。
除能源动力、交通、信息技术全球前沿科技发明外，物质和生命科学两大科技领域重要成果也都诞生在欧美。在物质技术方面，当时全球前沿的材料技术（包括钢、铝等新型材料）的先进工艺都源自欧美，结束了中国长达几千年的物质技术领先局面。以细胞学、解剖学为基础的西医也在这个时期于欧美形成，成为未来几个世纪人类医学的主流技术。
欧美成为世界新的文明中心
经过工业革命，欧洲一跃成为全球最先进生产力的代名词。1773年，欧洲在经济领域正式超越中国，成为全球经济中心。亚当·斯密、马尔萨斯、约翰·穆勒等全球经济学鼻祖的思想主导着全球经济秩序的建构。
牛顿、麦克斯韦、法拉第、伦琴、马克斯·普朗克、约翰·道尔顿等一批具有开创性的物理学家和化学家，从力学、电磁学、射线学、量子学、原子论等方面将人类物理学和化学推向了新的高度，奠定了现代物理学的基础。开普勒行星运动三大定律，开启了人类天文学的新阶段。利昂哈德·欧勒微积分、现代数学术语符号等推动了现代数学的进步。威廉·哈维血液循环论、安东尼·列文虎克微生物学的开拓、孟德尔现代遗传学的缔造、达尔文进化论的提出，使人类生物和生命科学实现了跨越式发展，使欧洲成为全球科学中心。
欧洲还成为全球思想和文化中心。17~18世纪，世界主流思想几乎被欧洲的哲学家、艺术家、政治思想家所主导。康德、黑格尔、叔本华、培根等的哲学思想从深层次影响着世界的建构。托克维尔、约翰·洛克、卢梭等政治思想家，推动全球民主思想的蓬勃发展。就是在文学艺术领域，巴赫、贝多芬、莎士比亚等也引领了风靡世界的潮流。
经过两轮工业革命的洗礼，欧洲开始在政治、经济、文化、思想等各个领域实现全面超越，取代中国成为人类新的文明中心。
⦾计算机让美国“换道超车”成为全球信息文明中心
基辛格在《大外交》一书中指出，“几乎是某种自然定律，每一世纪似乎总会出现一个有实力、有意志且有知识与道德动力，企图根据其本身的价值观来塑造整个国际体系的国家”。显然，美国依靠自身在信息技术、材料技术、能源技术、交通技术等领域的突破，将其“前辈”欧洲成功“拍在了沙滩上”，走上人类文明舞台的中心。
人类科技五大技术领域的第三次突破性变革
第一次工业革命和第二次工业革命使欧洲依靠以蒸汽机和电力为主的能源与动力技术，实现了对农业文明霸主中国的换道超车。落后时代发展的原因各有不同，但是领先时代发展的原因似乎是相同的：在能源与动力、物质技术、信息技术、交通技术等领域实现变革性突破，将使这个国家引领全球文明的发展。美国把握住了这次机会，掀起了全球第三次科技革命和产业变革的浪潮。不同的是，助推其实现弯道超车的主攻领域是信息技术，借此美国取代欧洲成为全球信息文明阶段的中心。
在此次科技革命和产业变革中，人类信息技术、物质技术、能源技术、交通技术（空间）、生命科学五大领域再次实现了质的飞越。但是影响最为深远、对人类生产和生活产生最大影响的莫过于以计算机为代表的信息技术变革。计算机的发展催生了对于集成电路的巨大需求，推动集成电路行业沿着摩尔定律不断变革，成为全球贸易中的硬通货。更为重要的是，计算机的诞生使人类信息传播、交流、存储都实现了质的突变。互联网的出现让人类信息的传递实现了全球无死角瞬时位移，并且可实现多点实时“在场”。更为重要的是，人类社会生产方式和生产内容发生了重要变革，信息生产和交换成为人类经济发展中重要的一极。
此次变革的另一大突破是能源技术的飞跃。风能、水能、太阳能等的挖掘和利用，特别是核能的突破，推动了人类能源和动力史上新的重大突破——人类首次通过原子层面结构的改变“创造”能源。这使人类在特定单位内可以飞得更高，行得更远，为未来人类冲出地球奔向宇宙提供了可能的动力支撑。
以卫星、火箭等为代表的航天技术的进步，是人类交通技术史上划时代的突破，人类第一次摆脱地球引力的束缚，奔向太空、奔向月球、奔向宇宙。尽管在浩瀚无垠的宇宙中，我们只是迈出了一小步，却是人类交通史上的一大步。
当然，所有的创新与突破都少不了物质技术的支撑，各种合金材料、新型轻质化材料、化学材料、晶体材料等，在此时期以前所未有的速度被发掘或被创造出来，种类之多也是前所未有的，这支撑了创新技术得以实现。基因技术等生命科学技术的进步，也使人类在了解生命内部结构上走得更远，人类在战胜疾病的过程中首次直击疾病的源头。
美国通过信息革命成为全球创新孕育地
此次科技变革最大的特点是科学与技术深度融合，且科研向生产力转化速度加快，而美国基本独家垄断了这次科学研究与技术的重大突破。
在信息领域，1946年美国宾夕法尼亚大学发明了世界上第一台计算机ENIAC，标志着电子计算机的诞生，人类从此迈入了以计算机为核心的信息文明时代。此后围绕计算机体积小型化、运算加速化的发展方向，以集成电路为代表的微电子技术在美国引领下快速发展起来（见表1-3），并在随后的数十年，甚至直到今天，一直占据着全球产业制高点。
表1-3 美国在集成电路发展初期的引领性突破
在能源与动力方面，随着全球原子能科研的进步，核能技术在美国引领下获得重大突破。1942年12月2日，美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆，成为人类能源动力史上新的里程碑。基于当时的世界局势，原子能技术首先被应用于军事上，美国、苏联、欧洲等各个国家和地区竞相研制原子弹，最终美国率先获得突破。1945年7月16日，世界第一颗原子弹“瘦子”在美国新墨西哥州地区核试验成功。不到一个月，另外两颗原子弹“小男孩”和“胖子”先后在日本的广岛和长崎投放。此后，核能开始逐渐被应用于能源、工业和航天等领域。
在交通技术方面，苏联与美国之间的竞争和较量促进了空天领域交通技术的变革。1957年，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术发展的新纪元，也极大地刺激了美国。一年之后，美国也发射了人造地球卫星。1959年，苏联发射“月球2号”探测器，它是第一个在月球表面着陆的航天器。1961年，苏联又成为第一个将人类送向太空的国家。美国不甘落后，整个60年代都在筹备规模庞大的登月计划，终于在1969年实现了人类登月的梦想。从竞争结果来看，苏联“起高楼”，美国“宴宾客”，苏联在竞争中逐渐体力不支，败下阵来，而美国开始全面引领奔向太阳系的探索之路。
在物质科技与生命科学领域，美国虽没有全面引领，却是推动人类物质技术和生命科学领域取得突破性进展的中坚力量，与全球各国一同推动着两大领域的发展。
美国成为人类信息文明的中心
借助第三次科技革命，美国成功逆袭，成为人类文明的中心舞台。直到今天，美国在全球政治、经济、文化、科技等方面综合实力仍居全球第一。
美国通过在信息领域的“换道超车”，创造出了一个以集成电路、计算机、互联网等为核心的信息产业，并且依靠其在技术上的领先性，稳固地占据了全球产业的制高点。2019年，美国GDP总量21. 43万亿美元，世界第一大经济体地位持续保持了近百年，无人撼动。米尔顿·弗里德曼、保罗·萨缪尔森、布莱恩·阿瑟等诠释着全球经济发展，华尔街主导全球金融走向。
在政治方面，美国依靠自身强大的经济基础和军事力量，具有在全球“指点江山”的硬实力。与其他曾站在人类文明中心的国家一样，美国在思想界、文化界等各方面也引领了世界思潮。以代表人类最高成就之一的诺贝尔奖为例，美国以337个获得者的数量排在世界第一。
⦾五大技术领域变革性突破国将成为智能文明的中心
当前，全球第三次科技革命创新成果经过人类几十年的持续挖潜，内在的创新红利进入衰减期。尽管创新成果仍旧层出不穷，但是从整个人类历史长河的视角来看，都是局部领域的微创新和修正式创新，对于世界经济增长是量的促进，而难以实现质的飞跃。
新一轮科技革命变革乘势而来
随着上一轮科技革命创新周期进入衰退期，全球变革性创新成果日趋匮乏，人类世界仿佛缺少了一种“一觉醒来社会发生了翻天覆地变化”的惊喜感和新鲜感。这种从无到有的惊喜就像是一直以来都靠书信来传递对远方伊人的思念之情，而某一天突然拿起一个物体放到耳边就能听到伊人的甜美问候。这种变化能够引起人类社会集体的“狂欢”，能够激发人类强大的消费欲望去拥有它，能够推动一个巨大产业的出现，能够改变人类整个生产和工作方式，推动人类社会发生质的突破。
无论是人类需求的呼唤，或是世界经济增长的需要，抑或是现实迹象的表现，全球新一轮科技革命即将到来，或者说应该到来。而此次科技革命仍旧将在物质、能源、信息、交通、生命五个领域获得突破，推动人类文明发展进入一个新的阶段。
信息领域变革将推动人类进入智能化阶段
经过纸张和印刷技术的突破、电话电报的出现、物联网的繁荣，信息技术的发展推动人类的信息交流、知识存储、传统传承发生了一次次变革性突破。时至今日，从上一轮信息技术的影响来看，电脑、智能手机、互联网等技术基本已经在全球范围内覆盖，对于人类生产生活的影响已经趋于稳定。从当前信息领域技术的孕育发端来看，人工智能、云计算、物联网、5G通信等技术的崛起很可能引领信息技术变革向智能化方向突破。
从技术迭代来看，支撑以计算机为代表的信息领域持续发展的底层技术有其固有的局限性——集成电路芯片的尺寸已接近物理极限，以电为传输介质的技术方式有其自身物理属性的限制，这些都难以满足新一代信息技术获取、传输、计算、存储、显示等方面的需要。主导了全球信息领域数十年的摩尔定律将在历史的巨浪下退潮。
随着人类对于“光”研究的突破和进展，“光”将替代“电”成为新一代信息产业的基石。未来，光子技术将作为新一轮科技革命的最关键、最核心、最底层技术，主导新一轮科技革命的发展。未来将掀起类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路的技术革命——集成光路产业的崛起。
交通领域变革乘着智能化的东风奔向宇宙
交通技术使人类活动空间逐渐扩大，从双腿、马车、汽车，到火车、飞机等，不断演进，人类活动空间从本地覆盖到全球，未来交通技术还将朝着推动人类走向更远的方向演进——例如冲出地球、太阳系、银河系，奔向宇宙深处。航天技术特别是商业航天，将成为此次交通变革创新的主体和方向。另外，随着信息技术的进步，智能化（如无人驾驶）也将是人类交通技术演进的方向之一。但是，交通技术的突破性发展，除受制于自身技术外，还受到物质、能源技术的限制。因此，从新一轮科技革命变革来看，交通技术要在智能化方向实现突破，还需要实现物质技术上新材料以及能源技术上微型化核裂变装置、可控性核聚变等技术的突破。
能源变革走向更清洁、更高效、微型化
从依靠牧畜力、水车能、风车能等清洁能源转为依靠化石能源为主后，人类在蒸汽机、内燃机轰鸣声的助力下，从自然界索取满足人类生产生活所需的资源，与此同时也使人类赖以生存的地球被滚滚烟雾所包围。
更清洁、更高效、更持久、微型化、低成本的能源和动力供给方式，将成为能源和动力技术演进的方向，也是人类对能源和动力供给的期望。全球围绕上述能源演进方向，在太阳能、风能、水能、氢能、核能等能源中寻求未来可能的替代性能源，并围绕能源核心瓶颈——控制、存储、成本等，寻求技术突破。
太阳能资源丰富、成本低、无须运输，取之不尽，用之不竭，是人类理想的替代能源，所以成为全球技术攻关的重点。但其能流密度低，受季节、昼夜影响而不稳定。太阳能的蓄能技术瓶颈、效率低以及成本高等问题，使太阳能在未来相当一段时期内还无法成为具有全面替代性的能源。
水能，作为最清洁、绿色的能源之一，是人类寻求替代的重要方向之一。但是，水能受水文、气候、地貌等自然条件限制，特别是受其物理属性的限制，与人类对能源装置微型化、随身携带化等需求具有不可调和的矛盾，这决定了水能未来很可能只能成为人类的辅助性能源——被限制在发电和工业领域应用。至少在近几十年甚至上百年内，我们看不到可以改变其物理属性的技术突破。风能在具备太阳能和水能清洁、资源丰富等优点的同时，同样因无法满足高效性、稳定性、持久性、微型化的能源需求，难以成为主流可替代能源。
氢作为宇宙中分布最广泛的物质，占太阳总质量的84%、宇宙质量的75%。同时，氢高能量性、高燃烧效率等物理特性，使它能成为人类未来最有可能的替代能源之一，并被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能最大的特点还在于其应用方式的广泛性：不仅能够用于发电，还可以广泛应用于家庭用氢、交通动力等人类生活的方方面面。当前阶段，尽管氢能有高挥发性、储存空间大等物理属性的缺陷，但是相信未来人类将取得技术上的突破，使其成为最具潜力的替代性能源之一。
与氢能一样，核能也是最具潜力的替代能源之一。与氢能相比，核能具有更高的能量效率，同时具备微型化发展的物理属性。核能从技术方向上分为核聚变和核裂变。目前人类初步掌握了核裂变技术，并广泛应用于军事（原子弹）和发电。但是对比来看，一方面，核裂变所需的核燃料蕴藏有限。地球上铀和钍的储量分别仅为490万吨和275万吨，而核聚变所需的核燃料氘和锂则在地球上取之不尽、用之不竭。另一方面，核裂变虽然与其他能源利用方式相比能量效率很高，但是与核聚变相比不在一个能量级上。同时，核裂变会产生核废料及辐射的缺点制约了其在日常生活中的应用。从技术维度来看，核聚变是未来最具潜力的能够从根本上解决人类能源需求问题的能源供给方式，将推动人类能源和动力史上又一次伟大的变革。但由于可控核聚变技术的限制和难度，人类在能源变革之路上还有很长的路要走。
生命科学将使人类在更中枢、更微观的层面“操控”生命
“长生”是人类在满足衣食住行等需求之后永恒的追求，“当下能活，未来不死，活得更好（高品质且自由地活）”是人类推动科技创新突破的深层动力。自从开始向“神灵”祈福以来，人类在生命科学的探索上从未止步。原始医学、传统医学、中医、现代医学，使人类在认知生命之路上越来越接近真相。物质科学和生命科学的进步，赋能人类在更中枢、更微观的层面上“操控”生命。脑科学、干细胞、基因编辑、合成生物学、智能医疗设备将成为新一轮科技革命推动生命科学实现变革性突破的着力点，迈过这个“坎”，人类将成为自己生命的“主宰”。
物质科技作为一切自然科学的基础，是一切科学与技术成为可能的必要条件。无论是信息领域的智能化变革，还是交通领域的宇宙探索，抑或是能源领域对更高效、微型化的替代能源的探索，又或是生命科学领域的突破，其底层的支撑都是物质科技。继工业时代的钢铁、塑料、硅等之后，石墨烯、纳米材料等新材料将成为未来产业的粮食。
三、潜藏在科技背后的规律
科技源于人类对宇宙的认知，立足于人类需求的满足，给人类社会发展带来巨大的变革。纵观科技发展史，在科技“巨轮”滚滚向前的征途中，其背后隐藏着隐隐可循的内在规律。
⦾推动社会变革的“关键少数”
纵观科技发展史，科技具有一种类幂律分布的特点，即“关键少数”技术主导着社会的变革。极少数关键技术创新产生了最大的价值，远远超过其他的技术。这些关键核心技术的作用是不可替代的，它们具备引领性、基石性、关键性、创新性的特点。历次工业革命都有关键核心技术，比如第一次工业革命中的蒸汽机，第二次工业革命中的发电机、内燃机、电信技术，第三次工业革命中的集成电路、原子能技术等。这些关键核心技术最终都深入到社会的各个领域，其他的技术创新很多都是在这些关键技术基础上涌现出来的，不断组合和进化，最终创造出巨大的生产力，广泛推动着经济和社会的发展。
⦾科技扩散转移呈现S形周期特点
自科技革命以来，科技与经济之间存在双螺旋增长关系，科技成为经济增长的主导推动力量。每一次科技创新与突破对人类经济社会的影响都遵循“复苏—繁荣—衰退—萧条”的周期循环规律。
图1-3 技术与经济交互模型
科技革命带来的技术扩散转移呈现S形周期变化。纵观世界科技发展，技术转移和扩散周期为50~60年，每一次科技红利的衰退必将推动人类去培育和创造新一轮的科技创新（见图1-3）。科技与经济之间存在着双螺旋增长模式，经济随着技术的转移和扩散发生相应变化。每一次新的科技革命都将在一段时间内成为推动经济增长的主动力。随着技术红利的转移和扩散，该技术对于整体经济的支撑作用会逐渐减小，尽管在一段时期内还会支撑着经济的发展，但是其支撑经济增长的主导权将会逐渐被新的技术所代替。随着新技术的不断产生，技术与经济形成了一个个相互独立又相互依存的双螺旋态势。伴随着技术的扩散，经济经历着“复苏—繁荣—衰退—萧条”的周期性变化，同时新的技术不断出现和扩散，支撑经济呈现长期的增长趋势。值得注意的是，在原有技术红利消退、新的技术红利尚未培育起来的这段时间内，全球经济会处于短暂的缓慢增长或者停滞期。
⦾科技需要金融创新的赋能
每一次科技革命的起终点都会伴随着金融领域的重大变化：新的金融工具产生和金融危机爆发。随着第一次科技革命爆发，1825年英国废除《泡沫法案》，大量资本涌入，并形成了股份制模式和现代银行制度，促进了蒸汽机技术在英国纺织业的推广和扩散。而随着纺织技术充分扩散、红利消退，英国纺织业出现产能过剩现象，经济回落，最终于1837年和1847年在美国和英国分别爆发了金融危机。随着蒸汽机在钢铁和铁路领域的应用，企业大量的资金需求促使资本市场在这个时期形成，资本涌入，支撑铁路等行业迅速发展，英国、美国都出现投资狂热现象，罗斯柴尔德家族、塞利格曼财团、摩根集团、巴林银行大规模争抢铁路建设投资，推动英国、美国等国家铁路系统迅速建成。亨利·亚当斯这样评价：“1865年至1895年之间的这代人早已被抵押到了铁路上。”但建设的铁路远远超过当时的需求，铁路行业出现产能过剩，导致最终崩盘。1873年，华尔街陷入全面恐慌，纽约证券交易所自成立以来第一次关门10天，5 000家商业公司和57家证券交易公司倒闭。伴随着第二次科技革命成果的推广和应用，信托、保险等金融工具诞生，资本市场国际化和规模化形成。随着这次技术创新成果的充分扩散及产能过剩，1927—1937年美国大萧条爆发。第三次科技革命技术的推广和应用，催生了天使投资、创业投资、产业基金。同样，随着技术的充分扩散及产能过剩，2008年，由次贷危机引起的全球金融危机爆发，如图1-4所示。
图1-4 科技与金融双螺旋图
因此，从历史发展的实践看，科技创新需要金融创新来赋能。熊彼特在《商业周期》中把经济增长的重要波动和技术变革解释为“连续的工业革命”，但同时认为成批的重大创新有赖于金融资本。真正推动经济长期增长和社会发展的动力是人类技术的重大突破，而金融资本对重大科技创新的发生和扩散具有重要作用。以新技术扩散过程为时间轴，新技术导入期分为“爆发”阶段和“狂热”阶段。在“狂热”阶段，金融资本密集投资于新产业、新活动以获取利润，随后发展到“展开区”的“协同”与“成熟”阶段。随着技术的扩散，一些相对陈旧的成熟技术开始出现收益递减，经济周期回落，金融资本或从相关企业和部门流出，或滞后于市场变化，在局部爆发金融危机。金融领域的变动期待新一轮科技导入，资本流向下一代重大创新，新的经济周期开始。
注释
[1]罗素.西方哲学史（古代哲学）.天津：天津人民出版社，2014.
[2]NAVE C R. The ColorForce. Hyper Physics. Georgia State University，Department of Physic.