近日，Science杂志刊登了日本文部科学省本月最新发布的《科学技术指标2022》，显示中国被引次数最高的论文数量跃居全球第一，超越美国。原始创新是国际科技竞争的制高点，近年来我国也一直高度重视培育原始创新。

那么，在这些高被引的顶尖论文中，有多少是“从0到1”的原始创新呢？本文以高温超导研究作为科学史案例，界定了原始创新、一阶创新、二阶创新的概念、特征和内涵。读者可参照三种概念来回答这个问题。

撰文 | 顾超 （北京大学科学技术与医学史系）

科学研究中的原始创新能催生新的重大科学思想和科学理论，产生颠覆性技术，对于引领科技革命和改变世界格局具有至关重要的作用。要提升原始创新能力，首先需要在学理上界定清楚：什么样的创新属于“从0到1”的原始创新？

除了参考期刊的影响因子、论文的被引率、所获奖项等外部特征，更为重要的是探索原始创新的内在特征。本文尝试用科学史的方法回答这个问题，为原始创新“祛魅”。本文选择高温超导的发展史作为剖析原始创新的典型案例。从领域的重要性看，自1911年发现超导现象以来，超导研究一直是科学界的热点和凝聚态物理最活跃的前沿领域，至今已有五次十人因为和超导相关的研究而获得诺贝尔物理学奖；从学科性质看，高温超导研究属于基础科学，同时具有潜在的广泛应用；从创新意义看，高温超导的发现不仅是物理学史上划时代的科学突破，同时还预示着一个超越已有量子场论框架的新的多体量子理论的诞生，其意义超越了发现本身；从历史方位看，如今距离高温超导的发现已有35年了，这个领域的研究仍然充满着惊奇、机遇和挑战；从中国经验看，我国超导研究起步比国际上晚近50年，但在高温超导领域很快赶上，目前已经跻身国际先进甚至领先行列。一个发展中国家能够在一个起步严重落后的科学领域实现后来居上，其经验值得总结。因此，高温超导的研究历程不仅在当代科学史上具有典型意义，也蕴含着原始创新的丰富内涵。本文通过系统考察和梳理高温超导的发展历史，既书写了超导历史研究的新篇章，也为深入分析原始创新的内在特征提供了新的研究视角。

1、高温超导的发现：“从0到1”的原始创新

自1911年卡末林-昂纳斯等人首次发现超导现象到1986年高温超导发现之前，近70年来超导的发展历程有几个鲜明的特点：第一，超导研究因其重要的科学意义、巨大的应用前景和极富挑战性的研究难度，始终是凝聚态物理的研究前沿，汇聚了全世界几代顶尖的物理学家，获得了多次诺贝尔奖；第二，超导领域不乏革命性的思想。如1957年提出的BCS超导理论从单电子的输运行为跳跃到两个电子的配对和凝聚，是理论物理中重要的范式革新，被誉为“自量子论建立以来对理论物理最重要的贡献之一”。第三，超导临界温度（Tc）的提升非常缓慢。1953-1985年，所有最高Tc的超导材料均出自A-15结构（化学式为A3B的化合物，如Nb3Sn），且最高Tc仅仅是1973年获得的23.2 K。达到这一温度一般需要使用昂贵的液氦，因此长期以来制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈，就在于其极低的Tc。1968 年，麦克米兰（McMillan）基于BCS理论提出通过电声子相互作用产生的超导体的超导转变温度不会超过40 K，这被称作传统超导体的麦克米兰极限。

在提高超导转变温度的研究长期停滞的情况下，1986年，IBM公司苏黎世研究实验室的柏诺兹和缪勒在钡镧铜氧化物 (Ba-La-Cu-O) 中观察到了30 K左右的超导转变温度。这一发现很快被日本、美国、中国的研究团队证实，掀起了高温超导的研究热潮。次年，柏诺兹和缪勒获得1987年诺贝尔物理学奖。

高温超导的发现是超导领域的一座里程碑，也是物理学史上的一次历史性突破。诺贝尔奖史无前例的快速“认证”以及其后几年世所罕见的研究热潮都表明了这一发现在当时的影响力。但从科学史的视角看，之所以称其为“历史性突破”，主要原因不在于这一研究的即时影响力，而在于其性质：高温超导的发现是“从0到1”的原始创新。

一方面，这一发现是奠基性的，深刻改变了超导研究的整体格局和研究面貌。柏诺兹和缪勒让科学家们认识到了铜氧化物这一新的超导材料体系，从而引发了大量的扩展性或跟踪性研究，其超导转变温度突破了麦克米兰极限，甚至可以超越液氮温区（77 K），为超导的广泛应用提供了巨大的可能性。科学界甚至外行公众都很快认识到高温超导的重要科学意义和应用价值。另一方面，高温超导的发现是里程碑式的，具有颠覆性的范式革新意义。虽然高温超导属于对新的经验现象的发现，并非传统意义上全新理论范式的建构，但对超导研究乃至凝聚态物理都具有范式革新的意义。

以上两点是“从0到1”的原始创新的内在特征。对于第一点特征，根据直观表象就比较容易加以判断。但对于第二点特征，需要运用科学史的方法进行深入分析。首先，铜氧化物高温超导体的发现具有颠覆性，也就是科学共同体普遍“没想到”甚至“压根不会往那个方向去想”。陶瓷性质的氧化物材料一直被认为是绝缘体，与超导体性质迥异。由于BCS理论对于寻找新的高Tc超导体的实践几乎没有什么指导作用，关于超导电性出现的经验规律——“马梯阿斯准则”在相当长的时间内对寻找新的超导体起了重要的指导作用（注：“马梯阿斯准则”是指马梯阿斯总结的超导电性出现的经验规律，如每个原子的平均价电子数符合一定规律的材料Tc较高。）。铜氧化物高温超导体的发现完全打破了“马梯阿斯准则”，特别是其中的“排除氧化物材料这一准则。柏诺兹和缪勒决定抛开由“马梯阿斯准则”成功指引的A-15结构的金属化合物。他们的考虑是A-15结构已经被研究得很充分，没有什么突破的希望。这是走向成功的第一步。

更重要的事实是，钡镧铜氧化物这种材料并非柏诺兹和缪勒首先制备和研究的。之前法国、前苏联、日本都有科学家研究过类似的金属氧化物。法国科学家Raveau等测量了BaLa4Cu5O13.4的高温电阻率，发现从-100℃到300℃是很好的金属导电行为，并不是通常认为的绝缘体。然而他们没有继续测量更低温度的电阻率。前苏联科学家早在1978年就研究过锶镧铜氧化物（La1.8Sr0.2CuO4）在液氮（约77K）中的导电性。因为后来发现这种材料的Tc约为36 K，所以他们离发现高温超导也只有一步之遥。

从1983年起，柏诺兹和缪勒开始在金属氧化物中寻求高Tc的超导材料。基于对Jahn-Teller效应的考虑，他们开始试验过渡金属离子钙钛矿氧化物，首先选择的材料是镧镍氧化物，然后部分地用铝替换镍。在两年内检验了上百种金属氧化物，但始终没有发现超导体。正如柏诺兹所说，当时“很难不对整个想法失去信心”。1985年，他们开始试验铜氧化物，直到柏诺兹看到Raveau等关于钡镧铜氧化物的那篇论文后，他们才制备了钡镧铜氧化物样品。正如柏诺兹所说，显然法国团队对低温部分不感兴趣，因为他们没有期望那里会发生任何有趣的事情。由此可见，高温超导的发现确实有很大的颠覆性。颠覆性研究要获得成功往往具有很大的偶然性，但偶然的背后是极少数具有原创思想的科学家有意识地朝着某个方向长期不懈努力探索的结果。

其次，铜氧化物高温超导体的发现是重要的范式革新。钡镧铜氧化物是Raveau团队首先制备的，他们还首先测了这种材料200K以上的电阻率。表面上看，柏诺兹和缪勒只是将他们的研究延伸拓展到更低的温度。那么，为什么我们给予柏诺兹和缪勒这么高的评价，认为是他们而不是Raveau团队做出了“从0到1”的原始创新？因为Raveau团队的工作即使为柏诺兹和缪勒提供了重要的启发，仍然属于库恩所谓的“常规科学”范畴，没有产生范式的革新。而柏诺兹和缪勒的工作虽然看起来只是把Raveau团队的工作推进了一小步，但这一步的意义大为不同，在性质上属于打破既有范式的重要科学发现。

柏诺兹和缪勒的工作建立了高温超导的新范式。后继的研究很快打破了麦克米兰极限，超越了已有的固体量子论的理论框架，对凝聚态物理中两个最成功的经典理论提出了挑战：一个是描述金属行为的朗道费米液体理论，另一个是描述传统超导电性的BCS超导理论。这一经验发现对原有的理论范式形成强烈的冲击，引起了理论范式的危机，揭开了“强关联电子体系”研究的全新篇章, 为发现新材料、新量子现象和建立新的多体量子理论提供了契机，还对凝聚态物理、材料科学等领域的发展起到了带动作用。新量子理论的建构虽然至今仍未完成，但毫无疑问，是柏诺兹和缪勒开创性地走出了第一步，而不是Raveau团队，也不是后继的其他科学家。至此我们可以确认，高温超导的发现是“从0到1”的原始创新。

2、从钇钡铜氧到铁基超导体：高温超导材料研究的一阶创新

随着铜氧化物超导体的发现，此后高温超导的研究始终沿着两个重要的方向发展：一是探索新的超导材料，不断提高超导转变温度，二是从理论上阐明高温超导机理。
图1 超导材料发展历史丨来源：罗会仟. 超导“小时代”之三十八 走向超导新时代 [J]. 物理, 2018, 47(12): 807-10.

人们在探索超导材料时发现了很多新奇的超导体，然而除了铜氧化物、铁基超导体、富氢材料这三类材料，其他所有超导体的Tc都没有超过麦克米兰极限（详见图1）。由于富氢材料需要极高的压力才能实现超导，并且其超导机理仍属于BCS理论范畴，因此，高温超导材料一般是指铜氧化物和铁基超导体。

1987年初，中国物理学家赵忠贤研究组与美国华裔物理学家朱经武研究组分别独立发现钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O）化合物具有93 K左右的超导转变温度。这一发现是人类首次实现液氮温区（77 K）的超导，掀起了全世界探索更高Tc超导材料的研究热潮。1993年，法国科学家Schilling发现汞系铜氧化物Hg-Ba-Ca-Cu-O的Tc为133 K。此后，常压下的超导材料的Tc至今没有新的突破。

在十余年的沉寂之后，2008年，日本的Hosono研究组在LaFeAsO1−