世界科學、技術、工業革命趨勢分析 | 2019 高技術發展報告

科學出版社□ 胡志堅 中國科學技術發展戰略研究院科學、技術、工業是人類認識自然、改造自然並為人類自身服務的社會實踐活動的產物。近代以來，它們的變化速度都是歷史空前的，它們不斷進步，同時也驅動人類社會不斷進步，對人類社會的影響巨大。不少學者認為，這三者都是通過「革命」的方式進步的。本文試圖分別對三者的革命趨勢做簡要分析。一關於科學革命趨勢

（一）世界處於第二次科學革命的過程中

關於科學革命的研究，最有影響的當屬託馬斯·庫恩（T. S. Kuhn）和伯納德·科恩（I.B.

Cohen）。本文採用的科學革命概念，與庫恩使用的一致，與科恩的狹義科學革命（大規模的科學革命）概念一致。在人類探索歷史的大部分時間中，科學探索一般遵循特定的科學範式，可能包括特定的一組信念、公理假設、定理體系、儀器設備、思維模式以及研究方法，等等。科學革命，就是一種新的科學範式，顛覆或替代舊的科學範式。科學革命的過程，是新的科學範式從某一學科誕生，並向其他所有學科領域傳播擴散並替代舊科學範式的過程。過去400

年，共發生兩次這樣的科學革命。第一次科學革命發生在16 ～ 18 世紀，以哥白尼天文學革命為開端，以牛頓和伽利略為代表的經典力學體系的建立為標誌。牛頓和伽利略的科學範式替代了托勒密和亞里士多德的科學範式。第二次科學革命發生在20

世紀初期，以愛因斯坦的相對論和德布羅意等一批科學家發展出的量子力學的誕生為標誌。相對論和量子力學的科學範式替代了牛頓和伽利略的科學範式。科學發展歷史表明，科學是從自然哲學中分離出來的，而早期的自然哲學基本類似於物理學，因此最早的科學可以被視為物理學，而其他如化學、生物學等學科被認為是從物理學中分離出來的，故物理學一般被人們認為是「母科學」。一些社會科學也認物理學為「母」，模仿物理學的範式，譬如古典經濟學。因此，物理學發生範式革命的影響有可能是規模最大、範圍最廣的。雖然生物學、化學等其他學科也有過可以看作是本學科領域範圍的範式革命，如熱力學革命、進化論革命等，但都只能算是「小革命」，沒有演變為廣泛傳播的、對所有學科產生顛覆式影響的「大革命」。總之，過去兩次大的科學革命都源於物理學。當前世界科學研究前沿，仍然處於相對論和量子力學的範式統治下。各國的自然科學教科書還是在傳播這個範式的知識，研究生仍然是在接受掌握這個範式的訓練，有關引力波、黑洞的研究還是在驗證相對論的假設，量子力學仍然是熱點，多元宇宙、暗物質、暗能量更像是對現有範式的修補完善，弦理論還在試圖解決愛因斯坦未竟的難題。我們現在處於第二次科學革命的過程中。

（二）第二次科學革命的科學發現高峰期已過

科學革命的過程，是新範式創立和擴散傳播的過程，是一種非線性過程。它似乎也遵循從報酬遞增到報酬遞減的演化周期，報酬指應用新範式重新解釋自然現象或獲得新的科學發現的數量與速度。新範式創立初期，面對的大多數科學家是舊範式下成長起來的，質疑的聲音多，擴散傳播阻力大；隨著越來越多年輕科學家的成長，傳播速度加快，出現報酬遞增；隨著越來越多的學科的科學家都蜂擁而至學習和採用新的科學範式，新範式的傳播速度和報酬遞增將進入拐點，進入傳播速度遞減和報酬遞減階段，直至最後傳播達到最大邊界和報酬接近於零。本輪科學革命經過100

多年的發展，似乎已經越過了拐點（可能在20

世紀後半葉），進入報酬遞減期。現有範式下未開發的科學知識空間日漸枯竭。容易摘的「果子」幾乎沒有，大的科學發現日益稀少。純基礎研究投入的邊際科學收益極低，機會成本巨大，一些前沿研究方向，不論是微觀還是宇觀，投入巨額資金可能就是驗證一個假設或者什麼也得不到。近百年來，物理學家們孜孜不倦地探索相互作用的統一理論，至今仍無結果。新的科學革命未見端倪。有人說，19 世紀末，科學的境遇與今天相似，緊接著20

世紀初發生了科學革命。今天的情形，是否意味著一次新的科學革命即將到來呢？人們還沒有看到任何基於科學實踐的證據。

（三）科學研究的重心向下游轉移

新科學範式總是由中心向外圍、由上游向下游傳播轉移的。由於科學研究沿原有路徑繼續延伸越來越難以取得進展，越來越多的科學家轉向交叉學科或邊緣學科，以獲得更高的邊際報酬。早在20 世紀中葉這種潮流就開始了，正如諾伯特·維納（Norbert

Wiener）那時指出的，在科學發展上可以得到最大收穫的領域是科學的邊緣區域。維納的控制論正是處於邊緣區域。然而這只是現有範式下知識體系的補充完善工作，是範式進一步向科學研究下游拓展的必然結果。更多的科學家將科學研究的重心向下游應用端移動，應用科學研究活躍、競爭激烈。量子力學、生物學的所謂基礎研究越來越像技術開發研究。諾貝爾獎越來越像應用科學獎或技術科學獎。劉則淵通過計量分析認為，21

世紀以來的諾貝爾獎屬於技術科學性質者：物理、化學和醫學分別占4 成、8 成和7 成；日本得獎屬於技術科學性質者占8 成（表1）。這些成就都是20 世紀取得的，說明那個時候這種重心下移已經很顯著了。也許將來哪一天會發現諾貝爾獎開始像重大技術發明獎。表1 2000 ～ 2019 年諾貝爾獎得主中擁有發明專利者占比

科學研究活動越來越接近人們的日常生活，技術前景和技術產業化的加速帶給社會顯著影響，人們感覺科學發展日益迅猛是這個意義上的。二關於技術革命趨勢

（一）世界處於第五次技術革命波的後半段

演化經濟學和創新經濟學對歷次技術革命長波或周期進行了刻畫。根據弗里曼和佩蕾絲的研究，自1780 年工業化以來共發生了五次技術革命，每次技術革命過程構成一次康德拉季耶夫波，大約延續50

年。根據熊彼特的商業周期理論，一次康德拉季耶夫波可以簡單分為前後兩個階段。前半段是主導技術群和新興產業爆發、成長階段，後半段是成熟、擴散階段。表現在經濟發展上，前半段是信用擴張，新興產業快速成長和已有產業的規模擴張；後半段是信用緊縮，新興產業日趨成熟和新技術對已有產業的滲透改造（圖1）。

圖1 工業革命以來連續的五次技術革命波

資料來源：參考弗里曼，佩雷絲，Johan Scho製作。

技術革命的過程，與科學革命過程相似，是新的技術-

經濟範式創立和擴散傳播的過程，是一種非線性過程。它遵循從報酬遞增到報酬遞減的演化周期。新範式創立初期，面對的大多數產業是舊範式下成長起來的，介面不友好，擴散傳播阻力大；隨著越來越多新企業採用新範式，新技術擴散速度加快，報酬遞增；當各個產業紛紛學習採用新的範式時，擴散速度和報酬遞增將進入拐點，進入擴散速度降低和報酬遞減階段，直至最後擴散停滯和報酬接近零，整個技術經濟系統的結構得到進化，達到新的均衡。

第五次技術革命即信息與通信技術革命始於1990 年前後，以50 年為波長，應該到2040 年前後結束，2015 年左右為中點。據此，我們現在已經進入這輪技術革命的後半段。

（二）信息技術加速改造人類生產生活方式

新技術的擴散依賴於新技術的成長成熟，新技術的成長方式是新技術產業的發展。進入後半段，信息和通信技術（Information and Communication Technology，ICT）及其產業經歷了前期競爭發展已經成熟，自身發展趨近階段極限(階段極限是指一輪周期內技術所能達到的最大邊界)，進入ICT產業和使用ICT

的門檻大幅降低，其潛能開始加速向其他經濟部門橫向擴散，信息技術邁入全面擴散的「拓展區」。

在產業技術創新方面，這種擴散表現為信息世界向物理化學世界、生命科學世界等的滲透融合，產生雜交、變異的技術及產業種群，如電商、網聯汽車、產業網際網路等，帶來難以預期的新技術、新業態和新商業模式，技術創新競爭進入「新水域」或「無人區」。這種滲透融合需要橋接型技術的協助，如5G、人工智慧、區塊鏈、大數據、雲計算、物聯網、人機結合技術等。技術融合產生新的經濟形態，如數字經濟、大數據經濟、共享經濟、智能經濟、物聯網經濟、計算經濟等；商業或創新組織形式也會嬗變，如網絡化、虛擬化，大眾創新、協同創新、分布式創新等。以上這些都是已經發生的，未來還會有新的形式不斷產生，因為信息技術每進入一個新的部門都會產生新的融合雜交形態，是不可預見的。

雖然此階段ICT 自身發展速度放緩，但因為滲透融合速度加快，應用場景越來越多，人類生產生活方式受到更多的直接影響，給人們的感覺反而是技術進步一日千里，似乎新一輪技術革命已然開始。

（三）第六次技術革命的前瞻

信息技術基於量子力學原理，是第二次科學革命進入應用領域的產物。第五次技術革命是第二次科學革命引發的第一次技術革命。這可能意味著第一次科學革命賦予人類新技術革命的潛能已近枯竭，未來的技術革命將由第二次科學革命引領。

信息技術革命是首次替代人的腦力勞動的一次技術革命，這是與前四次技術革命替代人的體力勞動的不同之處。這意味著，信息技術革命開闢了工業技術文明的一個新紀元。雖然替代體力勞動的技術仍然會繼續發展進化，但以後的技術革命將可能是沿著替代人的腦力勞動的方向前進，並使得替代體力勞動的技術更加全面和高效。

技術革命與能源關係密切，因為近現代工業文明是一種能源資源密集型文明。不論是技術革命還是工業革命，每一次革命都會導致人類生產生活方式的能源資源密集度大幅提高。正是對自然界能源的大量獲取，人類社會系統才能實現熵減，得以打破均衡並沿著工業文明路徑持續進行結構演化。因此，從這個意義上講，工業技術都是能源型技術，要麼是能量供應類技術，如蒸汽機、汽油發動機、電廠技術，要麼是能量耗散類技術，如紡織機、汽車、計算機技術。自然界的能源通過能量供應類技術轉化為能量，能量再通過耗散類技術傳播耗散，塑造人類社會的新結構，因此，能源的獲得是技術革命的前提，技術的演化又會要求獲得更高密度、更高生產率的能源，兩者相互制約、相互促進，或者互為瓶頸、互為條件。由此推論，技術革命的發生應該是在能量供應類技術革命和能量耗散類技術革命之間輪轉的。信息技術是耗散類技術，隨著信息技術不斷向智能化、無人化演進，能量供應類技術將成為瓶頸，呼喚著新的能源技術。因此，第六次技術革命應該包含能量供應類技術革命。

綜上所述，第六次技術革命將很有可能包括兩個方面，即信息技術的再次革命和新的能源技術革命，或者兩者的結合。爆發的時間節點可能在2040 年前後（圖1）。

三工業革命趨勢分析

（一）工業革命與技術革命的關係

工業革命指工業化範式的革命，譬如「機械化」。技術革命是在工業生產中發生的，因此工業革命應該包含了技術革命，當然工業革命還包含有其他豐富的內容，如組織結構和生產方式的變革。根據前述技術革命與能源的關係，一次工業革命應該並不只包含一次技術革命，應該至少包含兩次，即一次能量耗散類技術革命和一次能量供應類技術革命。這與傑里米·里夫金（Jeremy

Rifkin）的觀點是不同的。經濟史學家，如圖澤爾曼（Nick Von Tunzelmann）和錢德勒（Alfred

D.Chandler），傾向於將第一次和第二次康德拉季耶夫長波合稱為「第一次工業革命」。第一次康德拉季耶夫長波可視為紡織機帶來的能量耗散類技術革命，第二次康德拉季耶夫長波可視為以蒸汽機為代表的能量供應類技術革命。一般認為紡織機開創了「機械化」工業革命，蒸汽機將「機械化」的威力完全發揮出來。在評價蒸汽機和煤對英國工業革命的貢獻時，蘭德斯指出，如果不能提供一種強有力的能源，使其遠勝於人畜力並不受無常自然的影響，那麼集中於大規模生產單位的機械化工業的發展將是不可能的。煤和蒸汽沒有創造工業革命，但它們卻使工業革命的非凡發展和迅速擴散成為可能。但是，如果沒有之前水力機械（能量供應類技術）的顯著改進，如18

世紀50 年代發明的中射式水輪和30 年代發明的渦輪，第一次康德拉季耶夫長波中的紡織機及沿河流建立的機械化工廠是得不到足夠動力驅動的。自中世紀以來，水力機械一直是歐洲製造業的一個重要組成部分。賈根良總結歷次工業革命與技術革命規律性的關係，發現工具機(

「工具機」技術應屬於本文所指的能量耗散類技術)的革命總是首先發生在歷次工業革命的前半段，從而成為歷次工業革命的起點或標誌，而與其相對應的能源革命總是發生在該次工業革命的下半段，並在下一次工業革命的前半段作為動力方面的主導產業繼續發揮作用。

（二）三次工業革命的分期

弗里曼按照經濟史學家的方法分析，認為第三次和第四次康德拉季耶夫長波構成了「第二次工業革命」，現在發生的是「第三次工業革命」。按照這種方法，可以在圖1 的基礎上形成圖2。

圖2 三次工業革命與五次技術革命劃分一次工業革命包含兩次技術革命，時長約100

年。近代工業化以來，共發生三次工業革命，分別是「機械化」革命、「電氣化」革命和「信息化」革命。現在處於第五次技術革命的後半段，第三次工業革命的前半段。當第六次技術革命完成時，即2090 年前後，第三次工業革命才完成。參考文獻（略）本文摘編自《2019 高技術發展報告》（中國科學院編. 北京：科學出版社，2020.1）一書「第八章 專家論壇」，標題為編者所加。

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