科学预测和技术预测的方法研究*，本文主要内容关键词为：科学论文,方法论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科技政策或计划的制定，原则上都是对未来一定时期内的科技活动进行规划，以便达到预定的目标。要想科学而有成效地制定科技政策或计划，就必须依据对未来科技发展的方向、变化的趋势，以及可能的机遇或危机作出恰当的估计，这就是科学技术发展前景预测（或称为前景评估）及其意义所在。
1 科学预测
目前，大多数文章或专著所提及的科学技术预测实际上只是讨论技术预测的问题，几乎没有涉及科学预测的范畴。有人说，科学是无法预知的。其实不然，笔者在1996年就曾对科学预测问题进行了探讨〔1，2〕。为了说明这一问题，我们先看四个例子。
例1：相对论 19世纪，按牛顿经典时空观， 光是借助一种媒介传播的（这种媒介被称为“以太”），并认为“以太”是静止的，地球的运动与绝对静止的“以太”之间有一个相对运动。为了证明这种观点，1887年，迈克尔逊与莫雷设计了测定“以太”速度的实验，结果却说明绝对静止的以太是不存在的，从而使牛顿的时空观发生了动摇。科学界认为物理学陷入危机。1905年，爱因斯坦在迈克尔逊与莫雷实验的启示下，提出了相对论时空观，并创立了“狭义相对论”，从而解释了“以太”实验测定结果。爱因斯坦新的时空观使物理学产生了一场革命。
例2：量子论 19世纪末， 德国科学家威恩和英国科学家瑞利研究了黑体辐射的能量与波谱的分布规律，但没有获得成功，后来人们称其失败为“紫外灾难”。为了解释黑体辐射问题，1900年，德国物理学家普朗克提出了一个假设，认为能量是不连续的，其最小单位是一种称为量子h与其振动频率的乘积（人们称h为普朗克常数），从而解释了黑体辐射现象。后来，普朗克的假设被其他实验所进一步证实，从此诞生了量子论。
例3：元素周期律 门捷列夫根据已发现元素性质的实验结论，发现了化学元素周期律，并根据化学元素周期律预言了某些未知元素的存在及其性质，指出了当时一些元素原子量计算上的错误。时隔不久，门捷列夫的预言便为实验所证实，震惊了当时的科学界。
例4：麦克斯韦方程 麦克斯韦根据法拉第发现的电磁感应现象，发现了描述电磁场运动规律的方程，预言了电磁波及其速度正好等于光速并指出光是一种电磁波，并在他去世后的第九个年头被实验物理学家赫兹的实验所证实。
由以上四个例子可以看出，科学预测可以分为两类，一类是科学新概念和新理论的预测：另一类是未知科学现象的预测。科学新概念和新科学理论预测是在当用传统的科学理论和概念无法解释一种新发现的科学现象时，对科学新概念和新科学理论所进行的预测。这种预测的方法和程序可归纳为：
（1）根据新发现的用传统科学理论无法解释的科学现象， 提出新的科学新概念，并根据这种新概念建立新的科学理论和方法体系。
（2）用新的科学理论和方法体系解释新发现的科学现象， 如果新的科学理论方法体系不能解释新的科学现象，则重新提出新的科学理论和方法体系，直至用新的科学理论和方法体系能解释新发现的科学现象为止。
（3）对提出的新科学理论与方法体系进行进一步地检验， 检验的方法有：用新的科学理论和方法体系解释所有所发现的科学现象，如果都能解释这些现象，则新的科学理论方法体系成立，如果不能解释，则重复（2）、（3）步骤。
一般地，未知科学现象预测是伴随着新科学理论与方法诞生而进行的。当某一新的科学理论和方法体系诞生后，他不但能解释用传统科学理论和方法体系无法解释的已发现的科学现象，而且他将会进一步预测到一些新的科学现象。
2 技术预测
技术预测已有半个多世纪的历史。从预测的时间界限来分，技术预测可分中、短期技术预测和长期预测两种。中、短期技术预测的方法在许多文献中已谈得很多，主要的方法有：专家调查法、情景分析法、突破预测技术、树型图法等。此外，我们重点探讨适合于长期预测的联想法预测技术和适合中、短期预测的探索法预测技术和规范法预测技术。
2.1 联想法预测技术
联想法预测技术已有论述〔1〕，此处将作进一步的探讨。 为了说明这一方法，我们先看两个例子。
例1：航空航天技术 如果在两个世纪以前， 某人预测人类有一天可以在天空中飞翔，可以登上月球及其他星球，绝大多数人可能认为只是一种神话。因为，按当时的科学技术条件是无法实现的。现在，我们可以这样理解，神话在某种意义上是一种预测。广义地说，科学家们之所以开展某项科技研究与开发工作都是根据联想而构思的。航空航天技术就是根据鸟类能在天空上飞翔而构思的。目前的飞机外观还是非常像一只鸟。任何科学技术的研究与发展实际上都是利用自然的过程，科学都是朝这一方向发展的，我们总是处在逐渐了解、掌握、利用自然过程。正是由于此原因，联想法适于长期预测。
例2：纳米技术 30年前， 著名物理学家查德·因曼说过：“如果人们可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹？”众所周知，任何物质都是由分子构成的，而分子是由原子构成的。物质的性质决定于两个方面：一是构成该物质的分子，二是构成该物质的分子的排列结构。对于某些物质，如某些单晶物质，它的性质决定于构成该物质的原子及其排列结构。如果我们能在原子尺度上任意排列原子或分子，那么，人类的任何生产将变成轻而易举的事，而且，将没有任何环境污染。显然，这在当时仅是一个梦想。这个美好的梦想今天已逐步变为现实，这就是纳米技术——直接利用原子、分子生产产品的新技术。纳米，即毫微米。纳米技术是在0.1纳米—100纳米尺度上研究和应用原子、分子现象及其结构信息。1977年美国麻省理工学院的研究生德雷克斯勒对查德·因曼的想法进行了认真地思考，认为可模拟活细胞中生物分子的人工类似物——纳米级的分子装置，并将之命名为纳米技术。70年代末斯坦福大学，成立了分子的纳米技术研究所。同时，德国科学家比尼希和鲁勒发明了一种基于量子隧道效应的新一代电子显微镜——简称为扫描隧道显微镜（STM）， 它以空前高的分辨率揭示了一个直观可见的原子、分子世界，至80年代末，STM 已发展为不仅是一个仅供人们观察微观世界的手段和工具，而且是一个可排布原子的工具，因而决定性地促进了纳米技术的发展。目前，微电子技术中最细的刻线为几分之一微米，利用STM中针尖与表面的相互作用原理可以对之进行纳米级的加工。倘若我们将分子束外延技术和STM加工技术相结合即可望构成量子点， 即它的三维尺度均为纳米级的量子器件，利用这种排布原子的能力可望构成高密度的数据储存器件，其储存密度将比目前的磁盘要高1亿倍。因此，纳米技术将对微电子技术产生革命性的影响。
从以上两项技术的发展过程，我们可以将这种联想预测的方法对未来的生物技术进行大胆预言：
氮是所有生命系统的化学过程中一个重要元素，也是植物生长的限制因子。我们通常在土壤中施用氮肥的目的就是为了补充土壤中氮的含量。但是空气中氮丰富得要多少有多少（空气中含80%的氮）。可是大多数植物不能直接将空气中的氮变成有用的养分。有些细菌和藻类能够把空气中的氮还原成氨（氮的固定），氨再被植物转变成氨基酸、蛋白质及其他的氮化合物。种类相当多的生物具有还原氮的能力，如根瘤菌、豆科植物。如果我们能人工生产出有固氮作用的酶催化剂，那么合成氨工业将会有一场革命。更进一步地，如果发展一种生物技术，把豆科类植物的固氮性能移植到我们赖以生存的植物中去，那么，这种新植物就会变成自养型植物，将不需要施氮肥了。
总结以上例子，我们可将联想法预测技术归纳为如下的过程：
（1）分析某一自然界现象和自然过程；
（2）分析人类仿造、 控制和改造自然过程的科学技术条件及目前还需解决的科学技术问题；
（3）预测解决以上科学技术问题所需要的时间和期限；
（4）提出有关的预测结论， 为长期科学规划和科学政策制定依据。
2.2 探测法预测技术
早期的技术预测多半属于探测性预测，最早的预测就是对已有技术发展轨迹进行外推〔3〕。
探测法实际上是演绎法，其包括多种外推方法。这种方法通常从分析某段时间里发生的一系列事件开始，通过对历史数据的回归分析和曲线拟合，寻找出那一段时间中所遵循的规律，按历史的规律来预测未来。这类方法主要采用变量较少的简单模型，适用于企业的市场预测和渐进式技术发展。电子技术的发展就是适用于这种预测的范例。第二次世界大战之后，半导体技术的发展使晶体管由价格昂贵、质量不可靠变为价格适中、质量可靠，其发展轨迹可以回溯到40年代。如果当时进行探测性预测，则可能预言越来越方便、廉价、可靠、用途广泛的晶体管的发展过程。现在，国外有大量企业采用这种预测方法分析现有的各种技术，鉴别正在出现的新技术，以此判断公司未来可能的生产发展和竞争力，从而有效地计划生产，利用资源，赢得优势。
在一系列探测法预测技术中，最常用的方法是纯推断法。该方法在研究过程中不需要了解对变化趋势产生影响的各种因素以及这些因素之间的相互作用。我们假设，产生历史上趋势变化的规律将会在未来得以保持。在这种假设有效时，纯推断法是很有用的。只要根据某段历史的规律进行推测，便可获得预测的结果。纯推断最常用到的两种方法是增长曲线和趋向曲线。
图1 灯泡技术的发展趋势
（1）增长曲线
当表达技术性能的数据分别按不同时期在图表上表示出来时，往往出现这样的规律：技术性能的改善起初是缓慢的，经过一个阶段，达到顶端后再缓慢下来。这样的曲线被称为增长曲线，呈懒惰的S型。这种曲线分别发现在生物学和技术领域中。 为解决某个问题而应用某些技术的进展过程常常表现出这一S型。 一项新技术问世时，并不容易使用，改进也颇费时间。随着新技术的毛病被纠正，产品迅速得到改进，性能图表现为直线上升。产品改进的极限由化学和物理的规律所决定。愈接近极限，新的改进就愈困难，改进的速度也愈慢。用图标出来时，曲线上升得更慢而几乎成为一条水平线。图1 是一幅典型的增长曲线图，展现了灯泡技术能力发展的趋势，图上的点是实际的历史资料数据。如果要预测未来的情况，我们只要用数学的方法拟合图中的数据，并得出同数据相吻合曲线的数学模型，假定未来的趋势仅是历史的延伸。如果需要预测某一年份，只要将这一年份代入相应的数学公式中计算，结果就是预测结果。增长曲线特别适用于下列情形，即为解决某个难题而采用的单一技术达到上层极限进行的预测。具体做法是：使用物理的、化学的或其他的方法计算基本的上层极限，在历史数据上用数学方法精确地拟合出曲线模型，并将曲线延伸到极限。在很多情况下，为解决某一问题往往有多种技术方案，各种技术都受到本身极限的制约，但先进的技术总是具有较高的极限。图2说明了这种情况， 表明了飞机速度增长史的一部分。40年代，使用螺旋桨技术的飞机速度最高极限低于使用喷气式技术的飞机速度最高极限。值得说明的是，尽管使用较高技术的产品性能极限高于使用较低技术的产品性能极限，虽然前者的性能在刚开始时可能会劣于后者，但是有潜力达到更高的性能。图中显示了两种技术方法的增长曲线的相交。
图2 螺旋浆驱动飞机和喷气式飞机的速度增长曲线
（1英里＝1609.344米，下同）
（2）趋向曲线
以上所介绍的增长曲线是描述使用某一种特定技术的产品的性能曲线。而趋向曲线不考虑生产某种产品所使用的具体技术，只考虑该产品性能本身的趋向及其极限。它是基于这样一种假设，即为了提高产品的性能，新的技术总是会被发明而突破原有技术的极限，这种突破的继续直至达到该产品本身所不能达到的极限。例如，无论是飞机或宇宙飞船，所有的飞行物的速度均不能突破光速极限。
图3 客机速度的发展趋势
图3表明了一种典型的长期技术趋向，显示了自20 年代中期至1979年期间客运飞机生产能力的增长。尽管图中某些数据不连贯，但总的趋向已表现出来，这项技术在历史上有多次突破：增压舱、后掠翼、喷气式引擎等等。除了这些突破外，客运飞机的总技术（包括各种单项技术）表明了一种稳步的长期的趋向。在这种特殊情况下，趋向是一种指数的增长。当各种技术突破被引进客运飞机时，曲线上还未有突破或跳跃。
使用趋向曲线法的前期工作是必须判断是否有受到根本物理规律限制而不可突破的障碍，并且假定，一种新的技术方法一旦被需求，就会被发现。历史证明，过去一种新的技术方法只要存在需求随即就会被发现。这一假定的优点是，我们可以超越现行技术方法的极限进行规划和设想，可使用趋向推断法获得未来技术发展的规划。值得注意的是，单纯使用这种方法也可能会使我们误入歧途，因为有可能过去引起趋向的因素不会持续不变，而是产生新的因素。因此，使用这种方法时，如辅以其他方法对影响趋势变化的因素进行预测，可能会取得更好的效果。
2.3 规范法预测技术
美国麻省理工学院的福勒斯特通过引进反馈因素，形成著名的系统动力学方法，并用于研究全球问题，得出了罗马俱乐部的著名报告——《增长的极限》。这一方法与探测性方法的主要区别是，考虑到了人的主观因素，并用反馈因素将其纳入系统，因此对未来的分析不再是被动地推测和演绎。这种方法具有规范法预测的特点。
目前许多科学规划、重大的科学工程计划，都可以理解为含有规范性预测的成分。例如：美国在1965年发表的《化学：机会和需求》，对20年内的化学发展趋势进行了展望和预言，该报告被称为前景规划报告。事隔20年后，报告中的展望和预言差不多都实现了。为此，该委员会于1982—1985年又进行了一次化学前景规划研究，出版了著名的报告《化学中的机会》。另外，我们可以认为，美国“阿波罗”登月计划的制定是一个规范性预测的例子。1961年，苏联把载人宇宙飞船送入地球轨道。美国于1961年5月制定了登月计划，拟于60年代末把人送上月球，最后取得了成功。这一计划当然不属于探测性预测，因为苏联已成功了。
目前，规范法预测可以理解为有两种方法：当其运用于某一项技术计划时，可采用类似于系统动力学的方法；当其运用于宏观科学发展规划时，可以采用以下介绍的专家调查法。美国在1965年与1985年的两次化学前景规划研究中就是采用了专家调查法。
任何一个预测研究领域，要取得研究的成功取决于两个方面：
（1）研究工作者能否找到事物过去发展的规律；
（2）研究工作者是否可以得到影响和决定事物未来发展形式所需的资料或数据。
对于某些预测对象，其过去发展变化的行为形式是明确的，影响其未来发展趋势的因素也是显而易见的。而在其他一些领域里，影响其过去发展规律的因素很复杂，我们很难用一种行为形式来描述。因为，影响其未来发展趋势的因素中含有大量的不定因素，其中大多数鲜为人知或是只能取得零散的数据。所以，在上述第二组领域里，预测的精确性将不可避免地低于第一组领域。当然，这一点与研究工作者的能力或其引用的方法是无关的。严格说来，这是一个要作预测的那一领域的知识状况的问题，也是一个不可获得的数据量的问题。各个不同领域，预测工作者们用不同的方法实施预测计划。这并不是因为不同的领域需要不同的方法，而是因为从可获得的数据的种类和程度来讲，不同的领域向预测工作者们提出的问题是不同的。科学预测所用的方法和技术预测所用的方法只所以不同，并非是由于预测的内容不同，而是由于科学预测所用的数据和历史资料太少，以至于有人认为科学是不可以预测的，因此也决定了科学预测所用的方法很少，而且很粗糙。
注：
收稿日期：1997—05—07
*国家自然科学基金资助项目。