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结合自己的工作体会，这里我谈一谈对于科学创新，特别是关于原始创新的一些认识。
我大学毕业不久就到云南省东川市金沙江边海拔3200米的高山站从事宇宙射线观测工作。1965年2月东川发生6.5级地震，这是我第一次遭遇地震。当时正值上班时间，地面剧烈摇晃，我们在办公室跑不出去。东川是泥石流频发的地区，垮塌非常厉害。那段时间我们接了无数个电话，当地老百姓问还有没有余震，什么时候来余震，听到我们回答“不知道”后，他们非常失望，说“你们是科学家呀！怎么连你们都不知道？”当时我们感觉非常惭愧，体会到自然科学和科学家在自然现象面前是如此无知，如此无能为力。这个事件后来激励我在从事研究工作的生涯中，不敢懈怠、不敢自满。
2008年2月，我到中国地震局地质研究所向马宗晋院士请教有关地球科学研究的一些问题。马先生告诉我，1966年3月邢台发生6.8级地震，周恩来总理很快赶到地震灾区指挥抗震救灾。周总理要求中国科学家向地球“开战”，解决地震预报的难题。马先生当时还很年轻，被选去负责地震监测工作，一搞就是几十年。现在马院士是中央抗震救灾中心专家委员会的主任。他告诉我，从邢台地震开始，国家就组织了一大批队伍，包括科学家和群众，一起做地震预测工作。他们发现了很多有趣和奇怪的地震前兆现象，但还是没有找到一个真正可靠的办法来对地震进行预报。地震是涉及很多学科、很多因素的一个复杂系统的行为，需要从最基本的科学研究做起。要解决探测的问题，机理的问题，科学处理的问题……各个方面都要有所突破。地震酝酿很长时间，但在瞬间爆发，是很复杂的非线性现象，现代科学还远不能解决，需要各个学科，包括实验、理论、数学各方面的突破。没有多方面踏踏实实的努力和突破，包括数学、物理、工程等各个学科的创新、突破和综合，就没有办法解决这样事关国家命运和人民生命安全的重大战略性问题。
2008年5月又发生了汶川大地震。这场大灾难使我回想起抗日战争。我1939年出生于重庆市。从1938年到1943年，日本人对重庆进行了残酷的轰炸，上万人死亡，重庆市区被夷为平地。抗战时期，整个民族遭受了巨大的灾难。现在的地震灾难可以与它相比。抗战时期在重庆的城墙上，有一幅标语“愈炸愈强”，表达了国难当头时候中国人的态度。灾后，温总理去绵阳看望北川中学师生的时候，在黑板上写了四个字“多难兴邦”，反映了同样的民族心声。这样一次大的灾难，跟我们民族曾经遭受的灾难一样，对我们，特别是对青年人提出了挑战。
“科教兴国”和“建设创新型国家”是时代的要求。当前，源头创新能力已经成为在激烈的国际竞争中一个国家和民族生存和发展的关键因素。针对中国的创新能力问题，今年5月4日英国《观察家报》的一篇文章说：“尽管都说中国正在培养出数百万的工程师和科学家，但中国经济发展的核心并不是创新。支撑中国繁荣发展的是外国投资和大规模的政府开支，而不是新想法或者初创公司。”迎接挑战，建设创新型国家，寻求科学技术的新突破，是青年一代的历史责任。我相信五年、十年、二十年、三十年之后，我们一定会有一批人才来回答历史发展和大自然给我们提出的严峻挑战。
著名数学家丘成桐先生在“中国数学发展之我见”的演讲中说：“中国近代数学能超越西方或与之并驾齐驱的原因主要有三：一个是陈省身教授在示性类方面的工作，一个是华罗庚在多复变函数方面的工作，一个是冯康在有限元计算方面的工作。”丘先生还批评“我们近20年来基本上跟随外国的潮流。我们没有把基本的想法搞清楚，所以始终达不到当年陈先生、华先生或冯先生他们的工作。……我们一定要找自己的方向”。我不是数学家，没有能力评价数学发展，但我完全赞同丘先生评价科学成就和研究方向的标准。冯康先生的研究工作取得过两次重大突破，一是在1964—1965年间独立地开创有限元方法并奠定其数学基础；二是在1984年以后创建哈密尔顿系统的辛几何算法。在冯康逝世五周年时，冯端院士撰写了《冯康的科学生涯——我的回忆》的文章。文章介绍说：“这两次突破之所以能实现，不仅是得力于冯康的数学造诣，还和他精通经典物理学和通晓工程技术密切相关。……开创有限元法的契机来自国家的一项攻关任务，即刘家峡大坝设计中包括的计算问题。面对这样一个具体实际问题，冯康以敏锐的眼光发现了一个基础问题。……他考虑是否可以越出常规，并不先写下描述物理现象的微分方程，而是从物理上的守恒定律或变分原理出发，直接和恰当的离散模型联系起来。……结合电子计算机计算的特点，将变分原理和差分格式直接联系起来，就形成了有限元方法。”
要从学科的根本上找研究方向而不是追随潮流，最重要的途径应当是如冯康先生那样从实践中提炼基础问题。在解决由实践提出基础问题以寻求科学创新和突破中，不能只从已有的原理出发，只用标准的方法进行演绎，更要从实际问题出发，根据国家安全、社会发展和科学活动的实践，归纳、发展和应用新的规律、新的原理和新的方法。实践是科学创新的源头，也是“异想天开”的探索不致误入邪途的保障。我们的国家正在经历快速的发展，大规模的国民经济、国防建设和科学实验活动为科学探索提供了丰富的源泉。我自己在宇宙线和高能天体物理研究中提出的新方法、新公式也都来自解决科学实验的具体问题。从自己的经历中我深切体会到，国家发展所需要解决的科学实验和工程实践的实际问题是原始创新的重要源泉。而要抓住机遇实现创新，需要善于发现和解决具体问题中所包含的基础性问题。
例如，在1972年，我们在云南高山宇宙线实验观测中，发现了一个可能的重质量粒子事例。李政道先生在《为中国高能物理尽微薄之力》一文中谈到了这一事例：
我最早接触中国高能物理研究是在1972年9月。自从1946年9月去美国后，那是我第一次回国访问。当我和我的夫人到了北京，在还没有见到周总理之前，周总理就请中国科学院原子能研究所张文裕教授先跟我讨论一个问题。当时中国科学院原子能研究所在海拔3200米的云南宇宙射线实验站，利用大型磁云室获得了一个超高能作用的事例，他们认为这一事例可能是一个新的重粒子。那时，我住在北京饭店，张文裕教授带了做具体工作的研究人员特地到北京饭店来跟我讨论，我的老朋友朱光亚也参加了讨论。参加讨论的有十来位科学家。
在这一讨论后不久，周总理在人民大会堂接见我和夫人。接见时也讨论了这个问题。我说，准确地判断或然率还需要云南站的科学家们仔细复算。如果误判的或然率确实是近于百分之一，虽然不能作为新粒子发现的证据，但作为一个新现象可能的迹象，也是有价值的。我建议是否可以立即恢复中国的物理学杂志的出版，把文章用中文发表出去，加上英文的摘要。
在北京饭店讨论时，张文裕先生告诉我，他在那年年底就要去美国考察。我向周总理建议，请张先生将英文摘要带到美国去，送给美国的同行们。……中国的发现虽然仅仅是迹象，也是具有一定的学术价值的。虽然后来没有发现这种粒子，可是，《中国物理学》等杂志得以出版，也是一件好事。这同时说明，中国在当时十分困难的时候仍在从事高能物理研究，这已经很不容易了。
张文裕先生原定当年5月初访美。4月底李觉副部长在二机部（原子能研究所归二机部管）召集会议，讨论重粒子事例由张先生带到美国报告的问题。会议快结束时我提出粒子质量不是直接测量的，而是由动量和游离观测值算出来的，质量误差还需要仔细考虑，以免出笑话。李觉副部长当即指定我负责在“五一”假期里加班，在张先生赴美前把误差定出来。在参加会议的人中我是最年轻的一个。我想，计算间接观测值的误差是物理实验经常遇到的问题，翻翻数理统计的书总是能解决的，就毫不犹豫地接下了这个任务。没有想到，读了不少大部头书，也没能找到合适的计算方法。三天假期快完了，我的结论却是近代数理统计学没有办法准确地解决这个问题；只有古典的贝叶斯方法能够在计算质量误差时全面考虑动量和游离误差，而贝叶斯方法由于必须人为假设一个质量的先验分布，受到近代数理统计学者和物理学者的质疑。不得已，我只得采用贝叶斯方法来计算粒子质量误差。后来张先生的访美推迟到年底。9月在北京饭店的讨论中，李政道先生主要关心的也是质量误差估计（即判断或然率）问题。1973年，周恩来总理指示二机部组织专家组对云南站事例进行审查。审查中争议最大的问题是贝叶斯方法采用了先验分布，有可能高估粒子质量。此后，间接观测量误差估计问题，以及与之相关的统计学基础问题——贝叶斯和非贝叶斯两大学派的争议，一直留在我脑子里。直到1978年，通过将统计学两大学派联系起来，将非贝叶斯方法贝叶斯化，或将置信区间无穷小化的办法，建立了置信分布方法，才解决了间接观测量误差的准确估计问题。
20世纪70年代末，为了开展高能天体物理的实验观测，我同高能所高能天体物理实验室的同事一起建设了中国的高空科学气球系统，用气球载γ射线探测器到30千米以上高空探测天体高能辐射。对于如何处理气球飞行观测数据的问题，我做了调研，发现20世纪60年代以来，超高能宇宙线探测和空间高能天体物理实验观测发展迅速，但对于实验观测数据的处理分析并没有一个统一的方法。各国空间和地面实验组所发现的超高能宇宙线源或γ能谱线，各自采用不同的方法分析，其可靠性彼此不能比较，并且几乎都显著地高估了结果的统计显著性，从而导致不少不可靠的结果或假象被宣布为新发现，使理论解释工作建立在错误的基础上。如何判断在实验背景上的计数涨高是由新天体或新谱线引起的，抑或只是背景的统计涨落效应，即如何估计背景—对象观测结果的统计可靠性，是宇宙线物理和高能天文中亟待解决的一个重要问题。1969年，美国哈佛大学的一位学者提出相对似然方法，试图为解决上述问题提供一个统一的严格方法，普遍地被国际宇宙线物理和高能天文界接受。我在认真分析后指出相对似然法也是错误的，它缺乏可靠的理论基础，对于实验观测结果可靠性的估计有严重的系统误差。造成上述局面的根源是学者们习惯性地应用误差处理（参数估计）方法处理假设检验问题。我利用数理统计学的假设检验理论，推导出计算背景—对象模式实验观测结果显著性的新公式。这一新方法1985年在美国召开的第19届国际宇宙线会议上引起热烈争论，并召开了γ天文分析方法的专题讨论会。到20世纪80年代末，该方法被世界各国实验室广泛应用于宇宙线物理、X天文、γ天文、高能谱线天文等学科的实验研究，用于高能和超高能天体的搜寻、γ谱线的寻找、流强和背景估计等，成为估计宇宙线物理和高能天体物理实验结果统计可靠性和寻找超高能天体的标准分析方法。
科学探索的本质不是模仿，不是与现行标准的接轨。追求概念、方法和原理创新是科学探索有别于其他社会活动的一个显著特点，而科学思想和方法的原理性创新，往往导致学科和技术应用的跨越发展。科学思想和方法的创新，开始总是难以被多数人接受。一个真正原创性的理论或方法，需要多方面的检验，需多年时间才能被普遍接受；但是在国际竞争中，想要依靠方法创新实现跨越发展，却必须迅速地应用创新于科学和社会发展实践。
美国科学工程公司一个从事探测核爆炸X射线的年轻技术人员贾科尼，提出用核探测器探测天体X射线辐射的新想法。他和MIT核科学实验室合作，1962年用探空火箭载3根盖革计数器，发现宇宙中存在强烈的X射线源。为解决空间X射线源的定位问题，在MIT工作的日本年轻学者小田1965年提出准直调制方法，在美国光学杂志发表了篇幅不足一页的文章。MIT核科学实验室按他的方法改装仪器，次年用火箭飞行测得第一个宇宙X射线源天蝎座X－1。之后，美国航空航天局立即开始研制准直调制X射线卫星，卫星于1970年升空，测得第一幅X射线天图，发现400多个宇宙X射线源，开创了空间天文的新时代。小田于2001年去世，2002年贾科尼因开辟观测宇宙的新窗口获得诺贝尔物理学奖。
对于研究天体极端条件下的高能过程，光子能量高于10—20 keV的硬X射线是比X射线更重要的窗口。例如，黑洞吸引周围物质形成吸积盘，其最后一个稳定轨道内边缘的温度达到数百万至上千万度，发射强烈的X射线。而从吸积盘边缘到黑洞视界的高温等离子体温度高达数十亿度，这个区域主要发射比X射线能量更高的硬X射线。所以，硬X射线是研究邻近黑洞强引力场区域时间、空间和物质性质的关键波段。而且，很多巨型黑洞被尘埃包围，X射线无法穿透，只能用硬X射线探测器去发现它们。20世纪90年代初，美国科学研究委员会天体物理委员会在规划未来十年美国天体物理发展的报告中指出，高能天文观测存在一个重要的缺口，就是硬X射线波段，这个波段将是非常富有成果的领域。报告将硬X射线成像列为优先级最高的20世纪90年代空间高能项目，美国航空航天局也把硬X射线巡天列为20世纪90年代空间高能天体物理的首要任务。
我和吴枚研究员于1992年建立了直接解调方法，用简单成熟的硬件技术可以实现高分辨和高灵敏度的硬X射线巡天。1993年，我们用气球载硬X射线探测器飞行观测，用直接解调方法实现了对恒星级黑洞天鹅座X－1的高分辨硬X射线成像，并在此基础上提出了建造和发放世界最高灵敏度和最高空间分辨本领的硬X射线调制望远镜HXMT、实现人类首次硬X射线巡天的建议。可惜的是，由于对新方法的疑虑，HXMT项目立项被长期拖延，而欧洲硬X射线成像卫星INTEGRAL于2002年成功发射上天，发现了几十个以前没有看到的超大质量黑洞。随后，2004年美国又发射了可以实现硬X射线巡天的编码孔径成像望远镜SWIFT。虽然HXMT仍然可以实现灵敏度、空间分辨和曝光均匀性比INTEGRAL和SWIFT更好的巡天，能发现更多的硬X射线天体，但中国实现人类首次硬X射线巡天的机遇已经丧失。
HXMT建议提出3年后，1996年8月初，我在香港召开的“21世纪华人天文学会议”上介绍了这个项目。报告的结束语说：“由于在硬X波段具有前所未有的灵敏度和成像能力，HXMT卫星将对空间天文的发展做出重要贡献。对于中国，这是一个难得的机遇去实现人类首次硬X射线高灵敏度和高分辨率巡天，这也是对于中国科学界及其领导者的判断力、自信心与勇气的一个挑战。”报告结束，在美国航空航天局戈达特飞行中心工作的著名理论天体物理学家丘宏义教授从头排的座位站了起来，兴奋地挥动着手臂说：“太好了，我们可以把美国人给‘毙’了！”他接着讲了一个故事：小田因为发明X射线调制器实现X射线天体定位和第一颗X射线卫星上天而变得很有名气，当他从美国回到日本时，受到天皇接见。天皇问：“小田先生，你发明的这个调制器有什么用处？”小田答道：“没有什么用处，最重要的用处就是能够得到陛下接见！”
小田提出准直调制方法，在美国光学杂志上发表的文章篇幅不足一页，次年用火箭飞行测得第一个宇宙X射线源，4年后X射线卫星Uhuru就升空了，实现了X射线巡天的开拓。这是美国实现创新开拓的速度。我们在1992年建立直接解调方法，也用了1年时间用气球实现了对天鹅座X-1的直接解调成像。14年后，2007年3月发布的我国《“十一五”空间科学发展规划》宣布，要“自主研制硬X射线调制望远镜，实现我国空间天文卫星零的突破，在黑洞物理研究等领域取得突破”。同年经国务院批准发布的《航天发展“十一五”规划》也明确，要“优先支持面向重大科学问题的自主创新项目，研制硬X射线望远镜”。中国将要发射HXMT卫星的消息以及HXMT卫星的重要科学意义在国际上引起广泛强烈的反响和期待，但到目前为止，硬X射线调制望远镜卫星的工程立项还未能完成。面对激烈的国际竞争，我们仍然在努力着，并期望新方法所提供的科学机遇不至于最终完全丧失掉。
国家的发展已经到了一个新的时期，同时自然科学的发展也到了一个新的时期，需要有新的方法、新的思想、新的理论，需要寻求各个方面的创新和突破。国家发展所面临的问题，包括严重的自然灾害，都是摆在年轻人面前的挑战，需要有新的思维，需要在自然科学、人文科学和国家体制上有新的创新和突破，来一步步地解决。虽然刚刚我们遭受了一个重大的灾难，但我仍然觉得你们是非常值得羡慕的。你们面临重大的挑战，但你们有很多机遇来解决老一辈所没有解决的问题，为国家的发展、科学的发展做出重大的贡献。这就要求大家按照时代的要求，认真地学习和应用知识，注重全面素质，特别是创新能力的培养，同时对建设创新型国家过程中的困难和曲折要有足够的思想准备。我相信我们中国人能够对时代的挑战、大自然的挑战，给出我们自己的回答。
（整理自作者2008年5月在中国科学院“创新案例讲座”中所做的报告“原始创新与创新应用”。李惕碚，中国科学院院士，高能天体物理学家，中国科学院高能物理研究所研究员，清华大学教授。）