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青霉素和四大发明

撰文 | 金淘沙拣
 
我曾认为历史上重大的发明都来自一时的灵感,一个好点子就可以改变世界。但从青霉素的例子来看,一项重大的发明,从想法到实践,从科研到技术,从点子到产品,从一个偶然的发现到能够广泛造福于人类的应用,是一个千回百转、千锤百炼的过程。在这一过程中,需要的不只是一个创新,而是几十个,甚至几百个创新。
 
我们这里的创新含义比较广,包括科学上的新发现,技术上的新突破,艺术上的新创意、市场上的新产品,和商业上的新模式。在历史上,科学发现、技术、产品、和应用几个阶段不是简单的单向线性过程,而是交织在一起, 是一个反复循环、互相促进的动态演化历程。
在青霉素发现、发明、产业化的过程中,有至少十项主要的创新或突破,这十几个创新是由不同背景、不同国家的人独立或一起完成的。很多创新是建立在前人的基础上,而有的突破来自其他行业或领域。可以说,一个新技术其实包含着一串儿创新——我们可以将之称为“创新树”。
 
 
任何一个新产品可能都需要很多发明和创新。苹果公司最早的iPOD产品就包含着数项创新:“数字中心”的策略、火线(数据传导)、iTunes软件、东芝的1.8英寸硬盘、环形滚轮、“把一千首歌装在你的口袋里”的市场宣传、甚至产品和耳机的纯白色。这些创新有些是苹果公司自己产生的,有些是外来的。
 
高科技产品是这样,电影更是这样。皮科斯(Pixar)动画工作室的总裁艾德·卡特姆 (Ed Catmull)曾经说过:“人们倾向于将创意视为神秘的单一行为。他们通常会将产品缩减为一个单一的想法:他们会说这是一部关于玩具、恐龙或爱情的电影。然而,在电影制作和其他许多复杂的产品开发过程中,创造力来自众多在不同领域浸润的人员,来自他们为了解决许多问题而进行的有效、密切的合作。一部电影最初的想法—— 行业中的所说的‘高级概念’ (‘the high concept’)—— 仅仅是四到五年漫长而艰难的过程中的一步。一部电影几乎包含数万个创意:每句台词;每句台词的表现形式;人物,场景和背景的设计;摄影机的位置;色彩,照明和节奏。”
 
到这里,就不能不说一下四大发明的遗憾。造纸术、雕版和活字印刷、指南针和火药是中华民族智慧的结晶,人类现代文明的基石。但遗憾的是,中国并不是四大发明的最大受益者。造纸术和活字印刷传到欧洲后,经过改进,促进了书籍的流行,开启了文艺复兴。欧洲人将指南针、阿拉伯人的星象学和星盘与造船技术相结合,组建了远航舰队,征服了海洋和新大陆。欧洲人又在火药、火器的基础上改进了枪炮,和航海技术结合,称霸世界。
造成这种遗憾的原因有很多,包括当时限制技术进一步发展的社会体制和国家政策。比如在明朝初期,七下西洋的郑和率领的船队规模和掌握的航海技术在世界上无以伦比——他们最大的船的长度是后来哥伦布的尼娜号船的7倍。但可惜的是,郑和死后明朝实行海禁政策,规定“片板不许入海”。中国在航海方面的优势也就化为乌有。
 
造成四大发明遗憾的,我认为还有一个重要原因。 这些原创技术要有更广泛的应用,还需要很多后续的创新和突破。而一些关键的创新和突破大部分没有发生在中国。可以说,欧洲在四大发明的开发、产业化方面超过了中国。四大发明开始的“创新树”在欧洲生长地更茂盛。换句话说,它们的根基来自中国,而在欧洲结出更多的果实。
 
让我们来看看欧洲在四大发明基础上的一些创新和突破:
 
在纸到来之前,欧洲很早就采用西式装订书(codex)的格式来装订牛皮或纸莎草。与中国的卷轴书、“蝴蝶”装订、线缝装订相比,西式装订书更适合用纸做媒介。装订的纸质书更紧凑、耐磨并节省成本。每张纸的正反两面都可用。一旦发现错误只需更换书中几页即可,不需换掉整卷。这种格式也便于寻找、参考书中的文字。
 
欧洲在降低纸的成本、提高其质量上有几项改进:用麻和亚麻作为纸张的主要原料;用蒙上铁皮布满铁钉的木槌而不是磨石来粉碎纤维原料;通过添加动物胶和明胶而不是蔬菜粘液来使纸浆粘稠。
 
宋朝的毕升发明的活字印刷传到欧洲以后,古腾堡把胶泥字模和木字模变成了铅字模。由胶泥到铅,可以保证每个字模更经久耐用,而且大大提高了印刷的质量。
 
欧洲的纸比中国的纸厚,允许两面印刷。
 
18世纪末,平版印刷在德国诞生,使印刷图片、色彩和连笔字成为可能。
 
Fourdrinier造纸机于法国问世,然后在伦敦被开发,于1799年获得其第一项专利;它成为现代世界造纸机的基础。它可以被用来生产一张连续的纸张,并且具有灵活性:纸张的厚度和长度可在更大范围内调整。
 
1810年,德国发明家在伦敦首先启动的蒸汽压机意味着印刷机不再需要手工操作。
 
凭借着建设钟楼和大型机械钟表的经验,欧洲在金属锻造和精密机械技术领先。火药传到欧洲以后,欧洲人将这些技术和火药相结合,制造出了更耐用、更安全(对使用者)、更有杀伤力的金属枪炮。
 
15世纪的欧洲枪炮同亚洲和中东的武器相比,枪管长度/口径的比例显著变大,变得又细又长,增加了射程和准确度。管壁细,便于散热,也减轻了枪炮的重量,便于携带。
 
不是所有的创新都一样。创新又可以分两类:第一类是根基创新,比如四大发明,比如弗莱明发现青霉素;第二类是后续创新,比如欧洲在四大发明基础上的改进,比如牛津团队在青霉素开发过程中的一次次的过关升级。
 
在欧洲产生这些后续创新和改进大致可分为三种方式:
 
1. 外来的新技术与原有的地方性技术相结合,威力倍增,比如西式装订书的格式和纸的结合。有时甚至由于文化的差异而导致同一技术的应用效果的巨大差异。举例说,活字印刷显然更适合西方文字:英语只有26个字母——几十种字模可以覆盖全部文字,而汉字常用的就有几千个,字模制造和排版的复杂度增加了几个数量级。
 
2. 外来的新技术与其它领域的技术相结合。能借鉴其它领域的技术的创新者往往是跨行的专家: 古腾堡是金属工匠出身;最先改造枪炮的也是金属技工。
 
3. 技术和创新的叠加、整合能迅速产生更强大的创新和竞争优势。比如航海舰队包括了多个技术:指南针、星象学、地图、风帆设计、造船技术、火药和枪炮等。
 
 
这三种方式到今天还是后续创新的主要来源或模式。
 
根基创新则不同。它们的产生需要一定的运气,更需要对世间万物的好奇心,对自然现象的敏锐观察和捕捉,和对其背后原因寻根问底的执著。根基创新需要扎扎实实的原创。它们往往来自基础科学和自然科学。
 
后续创新的出现有时候也是因为误打误撞,但要想连续不断、系统地产生则需要科学的指导。
 
一个比较典型的例子是钢铁锻造技术的进化。中国人最先发明了炼铁技术,并用铁生产刀剑。炼铁技术传到日本以后,到14世纪日本已经开始生产出高质量的钢。明朝年间,中国沿海一带饱受倭寇肆虐。 倭寇的一个主要优势是他们使用的日本武士刀,由精钢打造,削铁如泥,让明朝军民吃尽苦头。日本人当时认为武士刀的锋利是因为他们独特的、宗教仪式般的炼钢程序。其实更真实的原因是钢中碳的含量。钢是铁和碳的合金,但碳的百分比决定了钢的质量。含碳比为1%最合适,高了钢就发脆易断,低了就容易弯曲。日本的炼钢大师通过铁矿沙和黑木炭冶炼钢材的过程,会产生含碳量不同的钢。他们的创新之处在于把不同含量的钢用在刀的不同部位上:低碳钢做刀身,高碳钢做刀刃。炼钢师并不知道钢的特性是由碳的含量决定的。他们靠的是经验,通过观察钢的质地,掂在手里的感觉,和敲打的声音来区分不同钢材。
 
日本在炼钢上的优势一直保持到工业革命时期。1856年,英国的发明家和工程师亨利·贝塞麦(Henry Bessemer)发明了贝塞麦转炉炼钢法:先往铁水里吹空气,使空气中的氧气与铁中的碳反应变成二氧化碳气体而完全除去碳,然后再回添1%的碳。贝塞麦转炉炼钢法可以大规模地生产优质钢材。这种科学炼钢法只用在化学知识的指导下才会建立起来。
 
四大发明是许多后续创新的基础,但这些开发和产业化过程中的创新的出现需要合适的“土壤”。在几个世纪之前,欧洲恰好是最合适的土壤。就像在青霉素的历史中,弗莱明发现了青霉素,但圣玛丽医院不是其继续开发的最合适环境。更合适的土壤也许就在一个小时车程之外的牛津大学,也许在远隔重洋的美国。
 
 
合适的土壤还包括合适的团队,比如在青霉素开发过程中的牛津大学团队。
 
弗莱明有一个很有趣的观点。他在诺贝尔颁奖晚宴上说,“团队合作可能会阻碍某些新事物的启动,但一旦获得了线索,要想充分发挥新发现的优势,团队合作可能是绝对有必要的。”也就是说,根基创新往往来自孤独的探索,而后续创新需要团队。 
 
根基创新最重要,但后续创新也很重要。在历史上,根基创新的发明人往往名留青史,而后续创新的创造者则获得最大利益。
 
如果把整个世界看成一个大的创新生态系统,创新树也许生根在一些国家,但在另一些国家更枝繁叶茂,甚至在一些区域几个创新树枝干相交,联成了创新网络。
 
现代社会由于专利法的出现,创新树的跨国界受到一定限制。一个国家、一个企业最大的竞争优势也许就是在自己内部营造一个最适合创新树生长的生态环境,同时还要以开放的态度不断借鉴外来的新技术。
 
历史有时很拧巴。中国的四大发明将欧洲从中世纪的黑暗中拯救出来,却引发了近代中国的百年苦难。历史有时也很有趣。中国新四大发明——高铁、网购、移动支付和共享单车——的主要根基技术都来自国外。但在结合中国的特色,添加了很多后续创新后,其应用广度和深度已遥遥领先其他国家。
 
致谢:堡航集团的王文勇老师就初稿提出了一些宝贵的建议和意见。在此表示诚挚的感谢。
 
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参考资料:
1. Miracle Cure: The Creation of Antibiotics and the Birth of Modern Medicine William Rosen Viking (2017)
2. How Pixar Fosters Collective Creativity Ed Catmull Harvard Business Review 09/2008
3. http://www.wikipedia.org/
4. The Paper Trail: An Unexpected History of a Revolutionary Invention   Alexander Monro  Alfred A. Knope (2016)
5. Steve Jobs Walter Isaacson Simon & Schuster (2011)
6. The Gunpowder Age: China, Military Innovation, and the Rise of the West in World History Tonio Andrade Princeton University Press (2017)
7. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1945/fleming-speech.html
8. http://zh.wikipedia.org/wiki/中国发明
9. Stuff Matters Mark Miodownik Penguin Books (2015)
10. Science, the Definitive Visual Guide Adam Hart-Davis DK (2016)
11. History: From the Dawn of Civilization to the Present Day  Adam Hart-Davis DK (2015)
12. The Chinese Thought of It: Amazing Inventions and Innovations  Ting-xing Ye  Annick Press (2009)
 



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