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青霉素和四大發明

點擊：作者：金淘沙揀來源：知識分子發布時間:2018-05-15 11:23:33

?圖源：Pixabay.com

還沒有讀過青霉素傳奇的朋友，可以先在這里閱讀：

撰文 | 金淘沙揀

我曾認為歷史上重大的發明都來自一時的靈感，一個好點子就可以改變世界。但從青霉素的例子來看，一項重大的發明，從想法到實踐，從科研到技術，從點子到產品，從一個偶然的發現到能夠廣泛造福于人類的應用，是一個千回百轉、千錘百煉的過程。在這一過程中，需要的不只是一個創新，而是幾十個，甚至幾百個創新。

我們這里的創新含義比較廣，包括科學上的新發現，技術上的新突破，藝術上的新創意、市場上的新產品，和商業上的新模式。在歷史上，科學發現、技術、產品、和應用幾個階段不是簡單的單向線性過程，而是交織在一起，是一個反復循環、互相促進的動態演化歷程。

在青霉素發現、發明、產業化的過程中，有至少十項主要的創新或突破，這十幾個創新是由不同背景、不同國家的人獨立或一起完成的。很多創新是建立在前人的基礎上，而有的突破來自其他行業或領域。可以說，一個新技術其實包含著一串兒創新——我們可以將之稱為“創新樹”。

任何一個新產品可能都需要很多發明和創新。蘋果公司最早的iPOD產品就包含著數項創新：“數字中心”的策略、火線（數據傳導）、iTunes軟件、東芝的1.8英寸硬盤、環形滾輪、“把一千首歌裝在你的口袋里”的市場宣傳、甚至產品和耳機的純白色。這些創新有些是蘋果公司自己產生的，有些是外來的。

高科技產品是這樣，電影更是這樣。皮科斯（Pixar）動畫工作室的總裁艾德·卡特姆（Ed Catmull）曾經說過：“人們傾向于將創意視為神秘的單一行為。他們通常會將產品縮減為一個單一的想法：他們會說這是一部關于玩具、恐龍或愛情的電影。然而，在電影制作和其他許多復雜的產品開發過程中，創造力來自眾多在不同領域浸潤的人員，來自他們為了解決許多問題而進行的有效、密切的合作。一部電影最初的想法—— 行業中的所說的‘高級概念’ （‘the high concept’）—— 僅僅是四到五年漫長而艱難的過程中的一步。一部電影幾乎包含數萬個創意：每句臺詞；每句臺詞的表現形式；人物，場景和背景的設計；攝影機的位置；色彩，照明和節奏。”

到這里，就不能不說一下四大發明的遺憾。造紙術、雕版和活字印刷、指南針和火藥是中華民族智慧的結晶，人類現代文明的基石。但遺憾的是，中國并不是四大發明的最大受益者。造紙術和活字印刷傳到歐洲后，經過改進，促進了書籍的流行，開啟了文藝復興。歐洲人將指南針、阿拉伯人的星象學和星盤與造船技術相結合，組建了遠航艦隊，征服了海洋和新大陸。歐洲人又在火藥、火器的基礎上改進了槍炮，和航海技術結合，稱霸世界。

造成這種遺憾的原因有很多，包括當時限制技術進一步發展的社會體制和國家政策。比如在明朝初期，七下西洋的鄭和率領的船隊規模和掌握的航海技術在世界上無以倫比——他們最大的船的長度是后來哥倫布的尼娜號船的7倍。但可惜的是，鄭和死后明朝實行海禁政策，規定“片板不許入海”。中國在航海方面的優勢也就化為烏有。

造成四大發明遺憾的，我認為還有一個重要原因。這些原創技術要有更廣泛的應用，還需要很多后續的創新和突破。而一些關鍵的創新和突破大部分沒有發生在中國。可以說，歐洲在四大發明的開發、產業化方面超過了中國。四大發明開始的“創新樹”在歐洲生長地更茂盛。換句話說，它們的根基來自中國，而在歐洲結出更多的果實。

讓我們來看看歐洲在四大發明基礎上的一些創新和突破：

在紙到來之前，歐洲很早就采用西式裝訂書（codex）的格式來裝訂牛皮或紙莎草。與中國的卷軸書、“蝴蝶”裝訂、線縫裝訂相比，西式裝訂書更適合用紙做媒介。裝訂的紙質書更緊湊、耐磨并節省成本。每張紙的正反兩面都可用。一旦發現錯誤只需更換書中幾頁即可，不需換掉整卷。這種格式也便于尋找、參考書中的文字。

歐洲在降低紙的成本、提高其質量上有幾項改進：用麻和亞麻作為紙張的主要原料；用蒙上鐵皮布滿鐵釘的木槌而不是磨石來粉碎纖維原料；通過添加動物膠和明膠而不是蔬菜粘液來使紙漿粘稠。

宋朝的畢升發明的活字印刷傳到歐洲以后，古騰堡把膠泥字模和木字模變成了鉛字模。由膠泥到鉛，可以保證每個字模更經久耐用，而且大大提高了印刷的質量。

歐洲的紙比中國的紙厚，允許兩面印刷。

18世紀末，平版印刷在德國誕生，使印刷圖片、色彩和連筆字成為可能。

Fourdrinier造紙機于法國問世，然后在倫敦被開發，于1799年獲得其第一項專利；它成為現代世界造紙機的基礎。它可以被用來生產一張連續的紙張，并且具有靈活性：紙張的厚度和長度可在更大范圍內調整。

1810年，德國發明家在倫敦首先啟動的蒸汽壓機意味著印刷機不再需要手工操作。

憑借著建設鐘樓和大型機械鐘表的經驗，歐洲在金屬鍛造和精密機械技術領先。火藥傳到歐洲以后，歐洲人將這些技術和火藥相結合，制造出了更耐用、更安全（對使用者）、更有殺傷力的金屬槍炮。

15世紀的歐洲槍炮同亞洲和中東的武器相比，槍管長度/口徑的比例顯著變大，變得又細又長，增加了射程和準確度。管壁細，便于散熱，也減輕了槍炮的重量，便于攜帶。

不是所有的創新都一樣。創新又可以分兩類：第一類是根基創新，比如四大發明，比如弗萊明發現青霉素；第二類是后續創新，比如歐洲在四大發明基礎上的改進，比如牛津團隊在青霉素開發過程中的一次次的過關升級。

在歐洲產生這些后續創新和改進大致可分為三種方式：

1. 外來的新技術與原有的地方性技術相結合，威力倍增，比如西式裝訂書的格式和紙的結合。有時甚至由于文化的差異而導致同一技術的應用效果的巨大差異。舉例說，活字印刷顯然更適合西方文字：英語只有26個字母——幾十種字模可以覆蓋全部文字，而漢字常用的就有幾千個，字模制造和排版的復雜度增加了幾個數量級。

2. 外來的新技術與其它領域的技術相結合。能借鑒其它領域的技術的創新者往往是跨行的專家: 古騰堡是金屬工匠出身；最先改造槍炮的也是金屬技工。

3. 技術和創新的疊加、整合能迅速產生更強大的創新和競爭優勢。比如航海艦隊包括了多個技術：指南針、星象學、地圖、風帆設計、造船技術、火藥和槍炮等。

這三種方式到今天還是后續創新的主要來源或模式。

根基創新則不同。它們的產生需要一定的運氣，更需要對世間萬物的好奇心，對自然現象的敏銳觀察和捕捉，和對其背后原因尋根問底的執著。根基創新需要扎扎實實的原創。它們往往來自基礎科學和自然科學。

后續創新的出現有時候也是因為誤打誤撞，但要想連續不斷、系統地產生則需要科學的指導。

一個比較典型的例子是鋼鐵鍛造技術的進化。中國人最先發明了煉鐵技術，并用鐵生產刀劍。煉鐵技術傳到日本以后，到14世紀日本已經開始生產出高質量的鋼。明朝年間，中國沿海一帶飽受倭寇肆虐。倭寇的一個主要優勢是他們使用的日本武士刀，由精鋼打造，削鐵如泥，讓明朝軍民吃盡苦頭。日本人當時認為武士刀的鋒利是因為他們獨特的、宗教儀式般的煉鋼程序。其實更真實的原因是鋼中碳的含量。鋼是鐵和碳的合金，但碳的百分比決定了鋼的質量。含碳比為1%最合適，高了鋼就發脆易斷，低了就容易彎曲。日本的煉鋼大師通過鐵礦沙和黑木炭冶煉鋼材的過程，會產生含碳量不同的鋼。他們的創新之處在于把不同含量的鋼用在刀的不同部位上：低碳鋼做刀身，高碳鋼做刀刃。煉鋼師并不知道鋼的特性是由碳的含量決定的。他們靠的是經驗，通過觀察鋼的質地，掂在手里的感覺，和敲打的聲音來區分不同鋼材。

日本在煉鋼上的優勢一直保持到工業革命時期。1856年，英國的發明家和工程師亨利·貝塞麥（Henry Bessemer）發明了貝塞麥轉爐煉鋼法：先往鐵水里吹空氣，使空氣中的氧氣與鐵中的碳反應變成二氧化碳氣體而完全除去碳，然后再回添1%的碳。貝塞麥轉爐煉鋼法可以大規模地生產優質鋼材。這種科學煉鋼法只用在化學知識的指導下才會建立起來。

四大發明是許多后續創新的基礎，但這些開發和產業化過程中的創新的出現需要合適的“土壤”。在幾個世紀之前，歐洲恰好是最合適的土壤。就像在青霉素的歷史中，弗萊明發現了青霉素，但圣瑪麗醫院不是其繼續開發的最合適環境。更合適的土壤也許就在一個小時車程之外的牛津大學，也許在遠隔重洋的美國。