“从0到1”基础研究的几项事例简介

 岳中琦

 今天，我拜读了 科技部发展改革委 教育部 中科院自然科学基金委关于印发《加强“从0到1”基础研究工作方案》的通知（国科发基〔2020〕46号）http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/fgzc/gfxwj/gfxwj2020/202003/t20200303_152074.htm?from=timeline&isappinstalled=0。我为之高兴。在北大7年上学期间，我所受到的最主要的教育就是如何做出精致、唯一和原创的科研成果。因此，在遇到科研难点时，总是能够想出、找到和论证“从0到1”的研究成果。在此，我想与科学网朋友分享一下我早年从事的“从0到1”研究的几项事例。

第一个事例是我1986年完成的理学硕士学位论文研究工作。它的题目是“N 层横观各向同性的弹性层和弹性半空间问题的解析解”。当时，我仅仅用经典二重富氏积分变换，给出了这个问题的以二重富氏积分逆变换或汉克尔积分变换表示的解。这个积分变换解是含大量参数的广义积分。那么，这个广义积分解的奇异性、收敛性如何？它能够满足弹性力学场控制偏微分方程和所有边界和层间条件和载荷条件吗？为了解决这些解的性质问题，我又进行了多年的精心精细数学研究，到了1995年才对这个问题有了较为彻底的解决，在国际学报上发表了一系列论文。之后，又做了进一步研究，在2015年发表了该项目的综述和总结论文。这项工作的“从0到1”的原创性研究就是对解的数学性质的研究。这种解的数学性质研究几乎在其他人所做的相关研究论文中没有见到。参见博文《三十年磨一命名解》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-840328.html和《三十年磨一命名解（续）》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-925217.html。

第二个事例是1992年在加拿大国家研究院从事博士后的研究工作。当时，我被安排做道面结构力学分析、FWD强度测量和高性能沥青混凝土材料的研究。我看到了刚刚兴起的数字图像技术，认为可以用这个技术，定量研究沥青混凝土细观骨料空间分布。因此，立即展开了相关研究，发表了几篇世界上这个研究方向最早的论文，论证了骨料和它们的细观空间分布对沥青混凝土的结构稳定性和力学强度起决定作用，并指出了数字图像技术与岩土力学数值方法的结合将是一项有前途和生命力的研究课题和方向。这项工作的“从0到1”的原创性研究就是通过实践观察，再数字定量化混凝土的骨料空间分布。这种骨料空间分布定量化表述在过去是没有的。参见博文《又一项多年研究成果获得自然科学奖》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-1207523.html。

第三个事例是1996年我在香港从事滑坡防治工程实践发现的施工钻孔可以作为岩土勘察的原位岩土力学强度的试验。之后，我们在香港大学做了大量、长期野外和室内试验、方法和理论研究。我们发明了适用于多种施工和勘察钻机的钻孔过程监测仪，创建了一套钻孔过程监测数据的时间序列分析方法，发现了一条岩土地质体具有分段均匀抗钻强度的科学规律，验证了这条抗钻强度规律是适用于多种岩土体、钻机和钻头的普遍规律，攻克了国外随钻测量技术钻进速度数据呈极大随机变化的难题，创建了基于分段均匀抗钻强度的岩土地质体力学强度质量评价方法，完成了这全新原位监测岩土地质体抗钻力学强度沿钻孔深度分布试验的原创科学研究工作。我们解决了，近百年来，国际国内工程勘察缺乏适用于岩石、岩体和岩土混合体的原位力学强度连续测试技术和方法。这项工作的“从0到1”的原创性研究就是通过现场观察，再利用现在数字技术，进行时间序列大数据采集和分析，发现了新的科学规律。参见博文《科学技术发明易与自然规律发现难》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-973915.html和发明专利号US6,637,523 B2 和ZL01 1 40858.8。

第四个事例是标准贯入试验（SPT）的自动数字监测技术研究。标准贯入试验是一种测量土体抗剪抗压強度的原位测试技术。它用一个63.5公斤重穿心铁锤，自由下落76厘米，撞击钻杆顶端，形成钻杆内的冲击力波，再把钻杆底端的贯入器打进土体内部。这个撞击力波峰值在20顿到25顿之间，撞击时间大约0.1微妙。它广泛应用於世界各地的岩土工程勘察、基础和斜坡工程设计规范。但是，它的测量结果是由人手测量得到的。这是一种破坏和不可重复的钻孔底部原位试验，手工测量结果的质量和精度都难以检验。在2001年到2005年之间，我们研制了一台自动标准贯入试验数字监测的原型仪器。它能自动数字监测、记录、分析和报告SPT测量和结果。这项工作的“从0到1”的原创性成果就是我们发明的，在铁锤撞击钻杆时，测量钻杆向下动态位移和插入深度的零反力自动测量仪器。参见发明专利号US7,404,455 B2和ZL2006 1 0168464.9。

第五个事例是2002年开始参加的龙游石窟大型古地下工程洞室群岩石力学与工程研究。在2003年1月初，我去浙江省龙游县考察了这些古地下工程洞室群。这里的地层是白垩纪泥质粉砂岩。我走进了5个完整地下洞室，看到它们是在泥质粉砂岩中手工凿造的、大跨度型的、近地面的、稳定完整的岩石洞室。在1992年当地农民把这些洞室的水抽走，才发现了这些古人凿造大型完整岩石洞室。我同时也考察了附近还是被水充满的5个古人凿造地下洞室，和14个已完全或部分垮塌破坏的古人凿造地下洞室。通过对比这些洞室，我认为这些地下洞室依然完整的主要原因是洞室内部长期保持水充满。它们的洞室结构使得进入洞室的雨水不能从洞室口流走。并且，泥质粉砂岩的低渗透率使得通过地下渗透外流的水极少。我进一步预测到，由于这5个完整洞室的水被人完全抽干了，它们变得不稳定了，迟早要出现裂缝和垮塌破坏的。这个预见与后来发展的抽干洞室的变形、破裂和局部垮塌现象相当一致。这项工作的“从0到1”的原创性研究就是通过现场观察到的事实和同类洞室完整与破坏的对比分析，发现了新的科学规律。参见《二十年磨一自然科学奖》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-1148203.html和《古代浙江采石材人的地质和岩石力学智慧与启示》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-1094277.html。

另外两项早期“从0到1”的原创性研究，可参见博文《改善了香港滑坡防治规范与实践的两项科研成果》http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-952073.html。

2020年3月6日20:08写成于香港大学602办公室