4.1 未来的研究领域
为了能够创新，我们需要首先了解未来的最活跃的科学技术领域，根据国家中长期发展规划，未来的主要研究领域大致可分为以下六大领域。
1.环境与气候变化
气候变化是2007年最“热”的全球话题之一，气候变化和环境问题成为联合国大会、G8峰会等一系列国际会议的重要议题。气候变化正“威胁着整个人类大家庭”，对全世界产生了广泛的政治、经济和社会影响。
2.生物技术
生物技术的显着应用不仅在健康行业，生物技术在其他产业中的研发投入也十分突出。依靠生物技术，农业上用更少的土地生产更多的健康食品；制造业可以减少环境污染、减少能耗；工业可以利用再生资源生产原料，以保护环境。另外，基因组学研究不断深入，干细胞研究取得重大突破，生物芯片技术日趋成熟，应用领域日益广泛。
3.纳米技术与纳米材料
纳米技术是20世纪80年代末迅速兴起的一门交叉性前沿学科，它大大拓展和深化了人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料及器件，从而将导致信息、材料、能源、环境、医疗与卫生、生物与农业等领域的技术革命。
纳米技术已得到广泛关注和快速发展，目前已形成纳米材料学、纳米电子学、纳米生物医药学、纳米机械学及其他分支学科。
纳米材料和纳米结构，是当今新材料研究领域中最富有活力的研究对象，也是纳米技术中最具发展前景、最接近应用的领域。近年来，其研究与应用，已经取得了引人注目的成就。
4.信息技术
信息技术是全球新经济的主要驱动力。信息技术在农业、制造业、服务业等各个部门的广泛应用，不仅推动了经济的增长，而且也显着地提高了人们的生活质量，创造了更多的就业机会，更有利于新技术的发明创造。
热点领域及发展趋势：信息技术的发展趋向移动化、小型化、个性化、虚拟化。另外，还包括下一代网络（NGN）、第三代移动通信技术、宽带无线接入（WiMAX）、极短紫外（EUV）光刻技术等。
5.航天技术
有负责天气预报、气候预测、气象研究、自然灾害和生态环境监测的“风云”气象卫星，有应用于国土资源调查、城市规划、灾害监测的地球资源卫星，有专门为海洋生物资源开发利用、沿岸海洋工程、河口港湾治理、海洋环境监测、环境保护等提供重要信息服务的海洋卫星，有擅长灾害监测预报和环境监测预报的环境减灾卫星……它们保护并丰富着人们的日常生活。
6.能源技术
可再生能源及新能源、化石能源的清洁高效利用、节能及二氧化碳捕获与埋存等新技术受到世界各国的高度关注。
本章将介绍光学领域、生物学领域及材料科学领域的新技术。在讲述这些具体领域之前，我们再回顾一下爱因斯坦的思维方法，或许对于我们在这些领域的研究活动会有些帮助。
4.2 爱因斯坦和霍金的思维方法
据说熊彼德（Schumpeter）曾在课堂上批评牛顿，指责这个物理学天才只顾闭门思想，没有将他思考推理的方法公开而留诸后世！这批评有点道理。但牛顿在物理学上的丰功伟绩，是他在逃避瘟疫的两年中想出来的；其后就再没有什么重大发现——虽是昙花一现，但这“一现”却是非同小可。爱因斯坦的思考方法，屡见经传；可惜他天赋之高，远超世俗，要学也学不到。
4.2.1 背景知识
17-19世纪关于光本性（即牛顿的微粒说和惠更斯的波动说）的争辩如下。
1.微粒说（牛顿）
光是光源发出的一束微粒流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉。这个学说可以直接说明光的直线传播定律，并能对光的反射和折射作出一定的解释。
微粒说的问题：无法解释干涉、衍射、偏振现象。
2.波动说（惠更斯）
惠更斯认为光是一种在特殊弹性介质中传播的机械波。
波动说可以很容易地说明干涉和衍射现象，也能解释光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。
波动说解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题。
总的来说，波动说比微粒说显得合理一些，但一方面牛顿在学术界久负盛名，另一方面尚不能完美地解释直线传播规律，所以开始时微粒说占据上峰达200多年。但19世纪发生了三件事，即：
①托马斯·杨的干涉试验；
②菲涅耳的衍射试验；
③菲索和傅科先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三。
这三件事证实了波动说更正确，于是波动说被人们普遍接受。但以太存在的否定（美国物理学家迈克尔逊和莫雷试验）和光电效应的发现使波动说也遇到了困难。
4.2.2 爱因斯坦的思维方式
在爱因斯坦对光本性的思考中，有两个因素比较重要：远程因素、近程因素。
（1）远程因素。爱因斯坦认为既然波动说无法解释光电效应，那就应该回溯到物理学的基本理论上，有必要对整个理论的发展重新加以梳理。正如他所说：“牛顿的理论死亡之后，直到我们这个世纪为止，还没有人认真地考虑过它的复活。”
（2）近程因素（黑体辐射，紫外发散）。
维恩公式，根据热力学理论，将光看成分子（短波适用）。
瑞利和金斯公式，根据经典电动力学和经典统计物理学，把光看作是振动着的波的集合（长波适用），并推导出“紫外发散”悖论。爱因斯坦认为，解决困难的关键在于处理连续性与间断性的关系。
爱因斯坦认为：解决矛盾，必须采用新的假设。他说，“在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换现象的各种观测结果。”据此1905年爱因斯坦在德国权威杂志《物理学年鉴》上发表了一篇题为《论光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，提出了着名的光量子假说。
爱因斯坦登上了让人难以企及的科学高峰，除了爱因斯坦超人的天赋和辛勤的努力外，他成功的一个非常重要的原因与其科学的方法和创造性的思维息息相关。好的思维方法对科学研究，甚至包括我们现实生活中的很多事都有很大作用，很多企业的起死回生或者异军突起都是建立在领先的思维方面。
爱因斯坦不仅是位物理学大师，也是一位研究思维的专家，他的许多科学成就是通过一种新的思维方法——张力思维取得的。什么是张力思维方法呢？当代科学史大师、美国学者托马斯·库恩在《必要的张力》一文中指出：“在科学发展过程中，科学革命和常规科学两者缺一不可，不能因为科学革命的重要性就以为常规科学不足道。同时，收敛式思维与发散式思维是从事科学研究不可缺少的、互相补充的两个方面。如何在这两者之间保持一定的张力是成为成功科学家的首要条件。库恩关于“必要的张力”的思想体现了一种辨证的思维方法，我们可以称之为“张力思维法”。张力思维法已经在人类的科学研究中作出了重要贡献，其功效和威力已经得到了很好的证明，特别是在牛顿、爱因斯坦等科学家那里。爱因斯坦在认识论上的经验论和唯理论的张力表现在他吸取了传统唯理论的思想精华，并与他所创造的科学思想成果加以糅合，达到了二者的高度和谐统一。爱因斯坦深刻地指出：“没有一种归纳法能够导致物理学的基本概念。对这个事实的不了解，铸成了19世纪多少研究者在哲学上的根本错误……逻辑思维必然是演绎的，它以假设的概念和公理为基础。”爱因斯坦的科学创造活动生动地体现了这种方法的威力。
他总是依据少量重要的观察与实验事实，假设一定的基本原理，通过精心构思的理想实验，推演了一系列结论，然后诉诸于实践检验。相对论及量子力学等的成功，表明这一认识论方法的行之有效。同样，在思维方式上爱因斯坦也保持逻辑思维与直觉思维的张力。他虽重视逻辑思维的作用，认为逻辑思维在科学活动中是必不可少的，但他同时认为在科学发现过程中起重要作用的不是逻辑方法，而是自由想像或直觉。这样在对立的两极中维持一种往往难以维持的张力或平衡，探寻出大异其趣的途径，摸索出别具一格的方法。他认为从特殊到一般的道路是没有逻辑的，是直觉的方法，从一般到特殊的道路是逻辑的方法。他在相对论原理的第一篇论文中，提出光速不变原理和相对性原理使用的就是直观实验方式无法证实的直觉、灵感和想像，他把这种方式称之为“心理实验”。爱因斯坦在逻辑思维与直觉思维的永恒的反命题的张力中开辟了自己的道路，造就了一个又一个科学奇迹，也给人们的思维方式注入了崭新的因子和酵素。
4.2.3 霍金的思维方式
类似的例子还有“时间简史”的作者斯蒂芬·威廉·霍金。霍金是英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是本世纪享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。20世纪70年代他与彭罗斯一起证明了着名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最着名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理，即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。
与爱因斯坦一样，霍金取得巨大的科学成就也是建立在优秀领先的思维上，而且这种思维方法正是对爱因斯坦的思维方法的继承，也是张力思维。正是这种常人难以很好驾驭的思维帮助一个身患顽疾，长期被禁锢于轮椅之中，丧失了语言能力的人取得了突出成就，变成了科学的巨人。在反复批判前面科学家完成的某些基本概念的基础上，才能彻底地依靠自己的直觉得出一些结果，然后凭借演绎的方法来逻辑证明，最终实现了科学的突破，这就是霍金的思维方法。直觉是非逻辑的，演绎是逻辑的，正是在逻辑和非逻辑之间的恰到好处的把握才帮助他取得了巨大成功。
《时间简史》是一本有关宇宙学的经典着作，至今已被译成四十几种文字，发行量近三千万册，是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本。在这部书中，霍金带领读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行了深入浅出的介绍，并对宇宙是什么样的、空间和时间及相对论等古老问题做了阐述，使读者初步了解狭义相对论及时间、宇宙的起源等宇宙学的奥妙。《时间简史》可以说是霍金的“形象代言”，在广义相对论的基础上发展而来，而且在一定程度和范围上完成了对相对论的超越！这样的成就在别人看来是很难完成的，简直就是个奇迹，这样的奇迹源于张力思维。
4.2.4 小结
在直觉演绎法的驾驭下完成的张力思维方法，与其说是一种科学研究方法，不如说是关于科学研究方法的评述，它的意义并不仅仅局限于方法论。“直觉－演绎”本身是无法操作的，它要求我们善于在归纳与演绎、推理与直觉等对立的两方保持必要的张力。但是要保持这种张力，犹如走钢丝一样，需要高超的技艺，稍一偏离平衡，就会“翻车”，它与科学家个人学术素养及对问题的认识深度等因素相关。
4.3 光学与光学技术的未来研究领域
4.3.1 太阳能技术
能源是人类赖以生存的物质基础，但传统的能源如煤、油等在可预见的将来将被耗尽，因而寻求绿色、环保、可再生能源，成为解决能源短缺、实现可持续发展的必由之路。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，没有环境污染，既可免费使用，也无需运输，因而得到世界各国的重视。相关的研究领域不断扩大，研究工作不断深入，取得了很多丰硕成果，将成为未来光技术的重要领域。它主要包括太阳能发电、太阳能热利用等，下面列举其中的一些新技术。
1.太阳能电池板
太阳能电池的工作原理是光生伏特效应，据此原理将光能转换为电能。1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳能电池，揭开了太阳能电力开发利用的序幕。
太阳能电池的关键问题在于提高光能的利用率。Pyron Solar Triad公司设计出一种特殊的短焦距、由丙烯酸材料合成的太阳能集光透镜。太阳光在这种透镜中进行反射和折射后能够有效地将能量集中到一点。第二个透镜将第一个透镜传递过来的能量再次汇聚到一块小型的光伏板上。该公司称这种HE镜片系统（HEOPTICSSYSYTEM）生产的电力是同等大小的硅太阳能电池板的800倍。我们称之为光伏板。
2.太阳能制氢
氢气将取代化石燃料成为人类未来主要能源之一。太阳能-氢能转化是氢气工业化生产技术发展的方向。美国杜克大学的研究人员发明了一种可铺设在屋顶的太阳能制氢系统。该系统生产的氢气无明显杂质，在效率上也远高于传统技术，能让太阳能发挥更大的用途。据报道该装置可吸收高达95%的太阳热能，由环境散发出去的则非常少。
这一装置能让真空管中的温度达到200℃，而相比之下，一个标准的太阳能集热器只能将水加热到60℃-70℃。
