从事自然科学的创客
自然科学是研究自然界中各种自然现象或事物的结构、性质和运动规律，进而揭示自然现象或事物本质的科学。自然科学是反映自然物及其运动形式的本质和规律的一种知识体系。自然科学包括数学、物理学、化学、天文学、气象学、海洋学、地质学、生物学等基础科学，以及材料科学、能源科学、空间科学、农业科学、医学科学等应用技术科学。自然科学领域需要探知的事物的“本质和规律”是太多了。我们现在对于自然界“本质和规律”的认识，距离事物本质的真实可谓相差十万八千里。大到宇宙太空和地球，小到我们眼前的一切；远到银河星系，近到我们的生命，确实有很多创新的选题等待着我们去破解。每一次自然科学创新都是推动人们对于事物认识的深入，都在一步一步接近事物本质的真实。
自然科学的创新是整个创新领域中的“首席”，是“头牌”，是“主角”，特别是基础自然科学的创新，往往会带动相关领域大面积的创新，堪称创新的“火车头”。
自然科学的创新具有五大显著特点：
1、是最重要的创新
自然科学属于生产力，它能够极大地提高社会生产力的整体水平，推动社会的进步和发展。自然科学的创新成果往往会成为生产诸要素的主导要素，成为决定生产力发展的第一要素。自然科学创新成果可使劳动者掌握新的知识和技能，从而提高劳动能力，自然科学创新成果不断转化为新的生产机械和工具，提高劳动效率，自然科学创新成果可扩大劳动对象的范围，提高劳动对象的质量。自然科学的创新为“科学技术是第一生产力”的论断提供了客观依据。自然科学的创新成果具有明显超前性，扩大了人类对自然界的利用、支配和改造能力，使传统生产方式不断更新，新的生产领域不断开辟，已成为推动经济发展主要的驱动力。从事自然科学的创客是最受人尊敬的最了不起的创客。
2、是具有深远历史意义的创新
自然科学的创新往往呈现一种知识形态，不像工具那样可以直接利用，而是有一个较长时间储备消化过程。这个过程除表现为其理论的产生到实际应用有一定的时间间隔外．还表现为这种理论以后可以随时再认识应用到实践中去，有永远储备的作用，对历史有深远的影响。17—18世纪经典物理学体系理论的创新，促进了以蒸汽机使用为代表的第一次产业革命，开创了以工厂制代替手工工场，用机器代替手工劳动的一个时代。19世纪中期，电磁学理论的创新，使人类进入了第二次工业革命时期的电气化时代。20世纪初，现代物理体系理论的创新，深刻地提示了物质、运动和时间之间的统一性，人类对物质的认识从宏观向微观和宇宙观扩展，由此，电子学、半导体、固体物理、激光、计算机、自动控制等新的科学与技术发展，标志着人类社会开始进入信息时代。自然科学的一个创新往往会带来多方面的联动创新。基础研究的重大突破，将带动新兴产业群的掘起，引起经济和社会的重大变革。牛顿在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。他的理论创新奠定了此后三个世纪物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。爱因斯坦创立的代表现代科学的相对论，为核能开发奠定了理论基础，不但开辟了物理学的新纪元，并为现代宇宙学奠定了理论基础。牛顿和爱因斯坦都是最伟大的创客。
3、是最受重视的创新
自然科学的创新受到世界各国的高度重视。在知识经济时代来临之际，自然科学的创新已成为各国争相抢占的制高点，各国都把自然科学的创新发展列为基本国策，陆续建立各种各样的专门机构，推动自然科学的创新。如美国在20世纪40年代的“曼哈顿工程”、60年代的“阿波罗计划”、70年代的“能源计划”等。美国的自然科学的创新一直以领先世界而著称，人类史上很多重要的发明，包括白炽灯、轧棉机、生产线等都是源自美国，美国第一个研究出了原子弹，在冷战期间实行阿波罗登月计划登上了月球。目前，美国在火箭技术、武器研究、材料科学、医学、生物工程、计算机等许多领域都处于世界领先地位。我国自改革开放以来，自然科学的创新受到高度重视，实现了中华民族史上最快的发展与最大的跨越。进人新世纪以来，我国的自然科学的创新开始由过去20年跟踪、模仿的渐进式发展向自主创新的跨越式发展转变，进入自然科学的创新发展全新阶段。国家制定并积极实施了《中长期科学和技术发展规划纲要(2006年一2020年)》。自然科学创客理应受到全社会更多更大的关注和重视，我国媒体应改变“重视文体明星，轻视科学创客”的倾向。
从自然科学方面设立的奖励也可以看出自然科学创新的受重视程度。诺贝尔科学奖是世界性的最重要的科学奖，自1901年颁发以来每年一次。以获奖的成果基本上代表了人类科学研究的最新成就，在促进人类科学研究、技术进步、社会发展中发挥了巨大作用。另外还有由世界文化理事会颁发的“爱因斯坦世界科学奖 ”，1968年设立的“联合国教科文组织科学奖”，国际数学联盟设立的“菲尔兹奖”，1976年设立的“沃尔夫数学奖”等。我国先后设立的自然科学方面的奖励有“国家最高科学技术奖”、“国家自然科学奖”、“国家技术发明奖”、“国家科学技术进步奖”、“国家国际科学技术合作奖”、“中国科学院科技成就奖”、“中国科学院国际科技合作奖”，以及“陈嘉庚科学奖”等多项奖励。
4、是投入最大的创新
创新是要有投入的，包括人力、财力、物力的投入。在所有的创新中，自然科学创新所需要的投入是最大的。以中国科学院为例，这座中国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心，是从事自然科学创新的专业机构。国家对中国科学院投入了大量的财力人力和物力。中国科学院设有6个学部、12个分院、104家直属研究机构、4个国家实验室、85个国家重点实验室、153个中国科学院重点实验室、19个国家工程技术研究中心、10个国家工程实验室以及212个野外观测台站，2所高等学校、4个文献情报中心、3个技术支撑机构和2个新闻出版单位。中科院荟萃国家最优秀的科学精英和学术权威。2012年底，中国科学院院士710名，中国科学院职工人数6.47万人，其中专业技术人员5.26万人，高级专业技术人员2.12万人。博士2.22万人，硕士1.53万人。全年用于科学研究与试验发展活动的经费（R&D经费支出）319.03亿元。投入科学研究与试验发展的人员（R&D人员）的工作量达6.76万人年。科研机构在研课题3.22万个，每个课题平均经费支出63.89万元。每个课题平均投入1.85人年，每个人年平均课题经费支出为34.6万元。
5、是难度最大的创新
创新的原理可以是“窗户纸”，一捅就破。但更多的时候，创新是颇有难度的事情，特别是自然科学创新难度比一般创新更大。自然科学创新往往涉及基础研究，目的在于探索自然规律，提供人们认识世界和改造世界的科学原理。基础性创新是一项长远的战略性研究，需要一定的经济和技术储备，需要更多的投入，没有足够的实力往往很难坚持到成功。基础性创新需要从纷繁复杂的自然现象中，经过长期的观察研究，经历无数失败挫折，方可初步揭示自然的本质和规律，然后还需要经过多次试验验证，经过反复修正。而且，基础科学创新不一定马上带来经济效益。没有坚定的信念，没有坚韧的毅力，没有坚实的基础，没有坚决的态度，自然科学的创新是很难成功的。
国家最高科学技术奖自2000年设立以来，到2012年先后奖励了22位科学家，他们每个人都有一部感人的创新故事，他们在自己从事的领域里，积极探索事物的“本质和规律”，用他们自己的眼睛观察世界，用他们的头脑认识世界，用他们的嘴巴解释世界，他们的创新代表了新世纪中国自然科学创新的最高水平。我们选介数学、物理、化学基础科学方面的创新故事，以便进一步认识自然科学创新的特点。
一、创客吴文俊创新“数学机械化”的故事
世界著名数学家吴文俊，是一位典型的科学家，是创新的典范，是一位伟大的创客。他善于抓住问题的本质，因而在拓扑学、数学机械化和中国数学史等方面做出了开创性的世界级贡献。他的创新成果奇迹般地大大缩短了中国近代数学与国际间的差距，2001年荣获首届“国家最高科学技术奖”。
1956年，37岁的吴文俊把世界范围内基本上陷入困境的拓扑学研究继续推进，他在拓扑不变量、代数流形等问题上有创造性工作，因在拓扑学中的示性类和示嵌类方面的卓越成就获中国自然科学奖一等获。他的示性类和示嵌类研究被国际数学界称为“吴公式”、“吴示性类”、“吴示嵌类”至今仍被国际同行广泛引用。1976年，年近花甲的吴文俊放弃已成就卓著的拓朴学研究，毅然开始攀越学术生涯的第二座高峰——数学机械化。他刻苦研究中国数学史，体验计算机的巨大威力，孜孜不倦地思索数学发展的方向。学习中国数学史和接触到计算机，这两个机遇的碰撞让吴文俊觉到，中国数学的思想和方法跟现在的计算机是合拍的，于是他开始进行一些机器证明方面的尝试，实现了中国古代数学思想跟当代计算机技术的远缘杂交。在计算机技术大发展的背景下，他继承和发展了中国古代数学的算法化思想传统，转而研究几何定理的机器证明，彻底改变了这个领域的面貌，成为国际自动推理界先驱性的工作，被称为吴特征列方法，产生了巨大影响。他的研究取得了一系列国际领先成果并已应用于国际上当前流行的符号计算软件方面。他深切地感受到：“对于数学未来的发展具有决定性影响的一个不可估量的方面是计算机对数学带来的冲击，在不久的将来，电子计算机之于数学家，势将如显微镜之于生物学家，望远镜之于天文学家那样不可或缺。”实现脑力劳动机械化，是吴文俊的理想和追求：“工业时代，主要是体力劳动的机械化，现在是计算机时代，脑力劳动机械化可以提到议事日程上来，数学研究机械化是脑力劳动机械化的起点，因为数学表达非常精确严密，叙述简明。我们要打开这个局面。”1977年，吴文俊关于平面几何定理的机械化证明首次取得成功，从此，完全由中国人开拓的一条数学道路铺展在世人面前。从初等几何着手，在计算机上证明了一类高难度的定理，同时也发现了一些新定理，进一步探讨了微分几何的定理证明。提出了利用机器证明与发现几何定理的新方法。这项工作为数学研究开辟了一个新的领域，将对数学的革命产生深远的影响。1978年获全国科学大会重大科技成果奖。“我们的目标是明确的，即是推行数学的机械化，使作为中国数学传统的机械化思想，光芒普照于整个数学的各个角落。”数学机械化研究的兴起，是中国当代数学发展中一个引人注目的具有中国传统特色的新里程碑。
谈到创新，吴文俊深有体会地说道；“现在大家强调创新、强调应用，往往忽略了基础的部分。这是值得担心的，不能因为应用而忽略基础研究。事实上也是这样，我能够在用机器证明几何定理上取得一定成功，主要是因为我有数学的基础，对数学的认识深。基础研究是创新的基础。”
二、创客黄昆创新“五大理论”的故事
黄昆是著名的物理学家，是晶格动力学的奠基人和权威，声子物理学科的开拓者，是中国半导体物理学研究的开创者之一。黄昆一生创新了五大理论，对固体物理学做出了开拓性的贡献。
第一创新理论是“晶格动力学理论”。晶体中原子振动是晶体中一种最基本的运动形式，对晶体的热学、电学、光学、力学性质都有重要的影响，许多科学家对晶格动力学进行了一系列实验和理论研究工作，1950年，31岁的黄昆与当代物理学大师玻恩合作成功地完成了世界上第一部晶格动力学的系统专著：《晶格动力学》，这本书代表了世界一流水平。
第二创新理论是“黄—里斯理论”。他首先提出和发展了以晶格弛豫为基础的多声子辐射和无辐射跃迁理论，对于认识晶体的光学性质、电学性质以及杂质、缺陷对光电性质的影响等方面都具有重要的指导意义。他和他夫人里斯合作的“F—中心光吸收和无辐射跃迁理论”论文，成为该领域的经典文献之一。
第三创新理论是“黄昆方程”。他的题为“关于辐射场和离子晶体的相互作用”的论文为固体中长波长光学振动的唯象处理提供了理论基础。利用这组方程黄昆首先引入了电磁波和横光学振动耦合模的这一新概念，后来被称为极化激元。这一预言在1965年被实验证实，被第一届国际极化激元会议评价为该领域的一个里程碑。
第四创新理论是“黄－漫散射”理论。在研究晶体中缺陷弹性位移在X光衍射峰附近产生的漫散射强度时，他发现可以从X射线的漫散射推出晶体中点缺陷的结构，如位移场分布、对称性、大小等。论文在发表近20年后被实验证实，被国际上命名为“黄－漫散射”。这种方法已成为研究晶体中微观缺陷的一种特殊的X射线技术。
第五创新理论是“黄－朱模型”。1987年，他与朱邦芬开始研究量子阱中晶格振动的问题，他们澄清了原来理论和实验出现矛盾的原因，提出和发展了关于半导体超晶格光学振动的系统理论。这一理论发现被国际学术界称作“黄－朱模型”，引起国际上的普遍重视，由此引发了一系列的理论和实验研究工作，有力推动了这一研究领域的深入发展。
黄昆以对科学事业的卓越贡献，在83岁高龄时获得了我国科技界的最高荣誉——2001年度国家科学技术最高奖。
三、创客徐光宪创新“串级萃取理论”的故事
著名化学家徐光宪，被称为“稀土之父”，创新“串级萃取理论”，改变了世界稀土市场格局。2008年，徐光宪获得了国家科学技术最高奖。稀土元素以其丰富的物理性能和技术特性成为新材料中的瑰宝，如稀土发光材料、永磁材料以及目前发展迅速的激光材料、超导材料、光导纤维、燃料电池等都离不开稀土，被誉为现代工业生产的“维生素”。稀土元素有17种之多，它们化学性质几乎一致，在自然界密切共生，要想将它们分离是十分困难的。中国有着世界上储量最大的稀土资源，仅白云鄂博一地的储藏量就占整个世界的50%以上。而20世纪末我国的稀土生产工艺和技术却十分落后，世界上一些国家把稀土生产技术作为高度机密对中国实行封锁。中国长期以来只能守着巨大的资源向外国出口稀土矿然后再进口稀土制品，两头受盘剥。1972年，徐光宪接下了一项紧急军工任务，分离镨钕，即稀土分离中的“难中之难”。在当时，国际上稀土分离的主流是离子交换法和分级结晶法。两种方法在过程上不连续，成本很高，提炼出的稀土元素纯度也较低，不能适应大规模的工业生产。徐光宪思索再三，决定采用自己曾经研究过多年的萃取法来完成这项艰巨任务。国际上流行的串级萃取理论是荷兰化学家阿尔德斯提出来的，徐光宪仔细分析了在串级萃取过程中络合平衡移动的情况，发现阿尔德斯串级萃取理论在稀土推拉体系串级萃取过程中是不成立的。徐光宪于是重新设计了一套化学操作流程，导出与此相应的一套串级萃取理论公式，并在此基础上设计出了一种新的回流串级萃取工艺。在当时，一般萃取体系的镨钕分离系数只能达到1.4～1.5。徐光宪从改进稀土萃取分离工艺入手，他通过选择萃取剂和络合剂，配成季铵盐——DTPA“推拉”体系。最终，他不仅出色地完成了这一项紧急军工任务，而且使镨钕分离系数打破了当时的世界纪录，达到了相当高的4。徐光宪并没有满足于已经取得的成果，他希望能够设计一种新的高效的稀土生产工艺。徐光宪亲赴包头稀土工厂参加新工艺流程用于分离包头轻稀土的工业规模试验。这种试验短则一两个月，长则半年一年，需要极大的耐心，而且任何一个环节出了问题都会影响到最后的结果。徐光宪凭借多年的经验和踏实细致的工作作风，一次即获得成功，从而在国际上首次实现了用推拉体系高效率萃取分离稀土的工业生产。在此基础上，他陆续提出了可广泛应用于稀土串级萃取分离流程优化工艺的设计原则和方法、极值公式、分馏萃取三出口工艺的设计原则和方法，建立了串级萃取动态过程的数学模型与计算程序、回流启动模式等，并在上海工厂实际生产中获得了成功。
当时，世界上最先进的稀土分离工艺集中在美国、法国、日本等少数国家手中，他们垄断了国际稀土市场。为了普及串级萃取知识，徐光宪和他的课题组举办了“全国串级萃取讲习班”，科研成果迅速在全国推广开来。这些原则和方法用于实际生产，大大提高了中国稀土工业的竞争力。萃取液的配置和各种参数的确定对于生产者仍然是一件极为繁琐的事情。徐光宪决定把这样一项复杂的生产工艺“傻瓜化”。经过艰苦探索，不久，他便和合作者共同研究成功了“稀土萃取分离工艺的一步放大”技术，不经过小试、中试，一步放大到工业生产规模，传统的串级萃取小型试验被计算机模拟代替。现在的稀土生产已经实现自动化，只需输入几个简单的数据就行了。一排排看似貌不惊人的萃取箱像流水线一样连接起来。你只需要在这边放入原料，在“流水线”的另一端的不同出口就会源源不断地输出各种高纯度的稀土元素。由于在理论和技术工艺上的重大突破，从上世纪90年代初起，我国单一高纯稀土大量出口，我国单一高纯稀土的生产与外贸占到全世界90%以上的份额，使国际单一稀土价格大幅下降，原先长期垄断国际稀土市场的一些国外生产商不得不减产、转产甚至停产。中国终于实现了稀土资源大国向稀土生产大国、稀土出口大国的转变，取得国际领先水平和巨大的经济及社会效益，充分显示了自然科学创新创造“中国奇迹”的巨大威力。