周建明：我们为什么要强调基础科学研究？
【文/观察者网专栏作者 周建明】
近年来，以美国为首的西方国家在科技上对我们的封锁、打压，在高科技领域卡我国脖子，引起了人们对加强基础科学的重视。而今年《科学：无尽的前沿》的再版，76年前范内瓦·布什把发展科学作为二战后美国核心任务的观点，再一次在人们心中引起震荡。美国战后占领世界科技高地的历程，为我们实现科技强国提供了他山之错，也引起了怎样认识基础科学与应用类研究关系的讨论。
《科学：无尽的前沿》，范内瓦·布什著
基础研究和应用研究的分类标准
范内瓦·布什在《科学：无尽的前沿》中提出基础研究的重要性：“今天，基础科学是技术进步的引领者，这一点比以往任何时候都接近真理。19世纪，美国人以欧洲科学家的基础为主要依托，便可以凭借其机械发明大力推进实用技术的发展，但如今的情况已经完全不同。”[1]据此，布什提出了政府必须承担起领导科学发展责任的观点，也标志着战后美国国家科技战略拉开了序幕。
对于布什的这个观点，交通大学江晓原教授提出了技术和科学是两个平行系统的观点[2]。他以美国国家科学基金会为例，认为美国主要的研发资金投入的是应用类研发，提出了“美国是因为重视基础科学而强大的吗”的质疑[3]。这个质疑，进一步引起了对我们应怎样用好有限的研发资金的思考。
要考察这个问题，首先要搞清楚什么是基础研究，什么是应用研究。宁南山在读《科学：无尽的前言》之后，写下了感言，也进一步从统计部门的资料查询了对基础和应用类研发资金的分类标准：
基础研究是“指一种不预设任何特定应用或使用目的的实验性或理论性工作，其主要目的是为获得（已发生）现象和可观察事实的基本原理、规律和新知识。”
应用研究是“指为获取新知识，达到某一特定的实际目的或目标而开展的初始性研究。应用研究是为了确定基础研究成果的可能用途，或确定实现特定和预定目标的新方法”，试验开发经费是“指利用从科学研究、实际经验中获取的知识和研究过程中产生的其他知识，开发新的产品、工艺或改进现有产品、工艺而进行的系统性研究”。宁南山把应用研究和试验发展经费统称为应用类研究经费。[4]
其实，统计部门采用的分类标准是OECD1963年在意大利的弗拉斯卡蒂开会所制定的，载于《弗拉斯卡蒂手册》：基础研究是“主要为了科学知识的增加而进行的工作，不考虑实际的特殊应用。”应用研究是“考虑实际应用而进行的工作。”试验开发“旨在利用基本研究和应用研究的成果开发出有用的材料、仪器、产品、系统及工艺，或者对现状进行改进提高的过程。”这个《弗拉斯卡蒂手册》是英国科学政策方面的专家克里斯蒂弗·弗里曼起草的，根据的是10年前美国国家科学基金会的定义。[5]这个分类标准对基础科学研究与应用研究的分类产生了广泛的影响。
而美国国家科学基金会对基础研究和应用研究的分类标准，又可以追溯到范内瓦·布什的《科学：无尽的前沿》中提出的基本观点：“进行基础研究并不考虑实际目的。它产生的是一般性知识以及对自然和规律的理解。”基础科学的特性之一是它能开辟出多种引发进步成果的途径。“是所有实用知识的来源”，是“技术进步的引领者”。[6]
一定是对立的吗？
但是，这种对科技研发分类标准在20世纪90年受到了挑战。
1997年，曾在美国国家科学基金会主席顾问委员会工作、时任普林斯顿大学研究生院院长的D.E.司托克斯，出版了《基础科学与技术创新：巴斯德象限》一书，对近代科学以来的基础研究与应用研究进行了梳理，特别是对二战以后美国对基础研究和应用研究的投入进行了分析，发现布什提出的基础和应用两分法的范式有片面性，从而提出了对研发进行四个象限的分类：
纯基础研究（玻尔象限）；既包含应用研究，也包含基础研究（巴斯德象限）；纯应用研究（爱迪生象限）；还有一个象限是“包含那种探索特殊现象的研究，既不考虑一般的解释目的，也不考虑其结果会有什么应用。”[7]
在这四个象限的研究中，最关键的是巴斯德象限。它着眼于基础与应用相结合的研究，包括曼哈顿工程以及战略研究。这个概念的提出，有力地解释了美国战后对科技研发投入中的关系。
司托克斯看来，一项重大的技术创新往往既包含基础研究，也包含应用研究，认为只有基础研究才促进了应用研究的线性观点是错误的。而对于政府的科技政策，因为巴斯德象限上联着基础研究，下联着应用研究，使这几种研究相互关联与渗透，无法截然区分。他以心脏手术为例：
1846年普通麻醉投入使用，使外科手术成为可能。但到能进行心脏手术，却经过了一个世纪，这是由于一系列基础科学与医疗技术需要突破。卡莫罗和最普斯在1975年11月号《循环研究》（Circulation Reseach）上发表文章，发现能够进行心脏手术实际上需要有三类研究的突破：与解决临床问题无关的基础研究；与解决临床问题有关的基础研究；还有与基础生物、化学或物理无关的研究，它们所占的比例分别为37%、25%和21%，其余剩下17%中有15%的开发和2%的评估与综合。司托克斯认为这个例子正好证明了一项重大突破，包含着玻尔象限（纯基础研究）、巴斯德象限（基础研究与应用研究的结合）、爱迪生象限（纯应用研究）的突破。[8]
这其实是科技进步中的常态。
以我国两弹一星为例。搞两弹一星是一项有明确目标的应用性项目。但又不是纯粹的应用研究，因为还需要许多物理、化学以及其他学科的基础研究，也需要一些我国所没有的工艺技术上的创新。这些理论和技术都需要我国在研制过程中自行突破。也就是说，我们只知道这东西能造出来，但不知道怎样能造出来，这就必须包括玻尔、巴斯德、爱迪生三个象限的研究。于敏对研制氢弹和核武器小型化的巨大贡献，都是在纯基础研究上：
在氢弹研制中，当时尚不能确定氘氘聚变、氘氚聚变和氚氚聚变哪种热核反应适用于氢弹。美国是通过实验来一项一项来试错的。这条路径要求有很强大的工业基础，非常耗时，代价又大。在没有条件做试验的情况下，于敏用一种近似方法估算出了所有轻核反应的反应截面上限，发现氚氚反应并不具有特殊优越性，予以否定，确立了氘化锂材料核反应中现场造氚的技术路线，使我们国家不仅大大节约了研制氢弹时间，也避开了工业基础差，资源有限的弱点。
在氢弹原理的研究上，于敏、黄祖洽领衔的三个小组对“放光模型”、“挡光模型”和周光召小组在冲击波聚焦传输能量上都失败了，最后于敏带领一个小组在上海计算机所通过百日攻关，找到了通过热核材料压缩的模型，突破了氢弹的原理构型。
在二代核武器的小型化过程中，于敏审慎地选择技术途径，从规划二代核武器发展的技术路线，提出物理模型，梳理关键问题，到制定核试验方案，再到每一次核试验后取得浩如烟海的数据中总结出物理图像和动作过程，来验证理论模型的正确性，提出改进方案，使中国用了最少的核试验次数研制出了第二代小型化核武器，技术上没有走任何弯路，以美国几十分之一的核试验次数和百分之一的经费投入达到了和美国同一技术水平，为转入实验室模拟提供了支撑，赶上了禁核试的末班车。[9]这些突破，都主要在基础研究上。
两弹一星研制的经验和19世纪以来科学和技术之间的相互促进关系是一致的：纯基础研究会引发更高水平的技术，纯应用技术的研究与开发会激发进一步的基础研究，两者就是在这样的相互作用的关系中不断发展。[10]这也是司托克斯提出巴斯德象限的意义所在：打破了只从基础研究会促使技术创新的一维角度来看待问题，即“科学技术已日益被技术进步探索的问题加以丰富，而不是仅仅由科学内部议程的展开来推进。”[11]这对于认识20世纪以来科学与技术的发展关系起到了关键作用。美国的科技战略也是如此。
中国“氢弹之父”、著名物理学家于敏
加强基础研究落脚点最终是在提升应用创新能力
尽管美国从二战以来遭遇了冷战、越战、冷战结束的大环境改变，随着政党轮替产生的领导人对科技的认识及与科技界的关系完全不同，但美国由国家所支持的科技研究仍有很强的连续性，应用研究与基础研究之间的相关性越来越强，表现在三个趋势上：以国家科学基金会为代表的项目由玻尔象限的研究，不断扩展到巴斯德象限的研究；由各政府部门投入的研发项目，不断由爱迪生象限扩展到巴斯德象限；而国立卫生研究院则既通过建立应用引起的基础研究更好地扩大应用议程，也通过大量投资于纯基础研究和纯应用研究来实现它的使命，是以巴斯德象限为中心的投资体系。[12]
以1950年成立的美国国家科学基金会为例。它成立时的使命就是从科学的判断出发，支持基础研究。但在实际发展的过程中，该基金会的投资不断扩大以应用为目的的研究方向，以至于70年代以后，该基金会利用物理学、化学、化工与电力工程、冶金与材料科学的理论，建立了一些新材料研究实验室。1986年该基金会修正了章程，使工程学与科学具有相同的地位，并大量投入到战略研究。[13]
美国的农业部、国防部、能源部、国家航空和宇航局从其职能出发，本来应该大量投资的应用研究，但实际上也大量投入与该职能相关的基础研究领域。而国立卫生研究院（NIH）则采用的是综合性的研究战略，横跨玻尔、巴斯德和爱迪生象限。
可见，对美国的科技研发只分为基础研究和应用研究，追问美国到底是因为基础研究而强大，还是因为应用研究而强大已聊无意义。而且，再把这种视角延伸到中国，来论证中国是应该发展基础研究，还是应用研究也失去了意义。在这一点上，我同意樊春良教授对江晓原教授忽视基础研究观点的批评。但樊教授强调了我国目前基础科学研究不足，还没有讲清楚应该怎样发展好基础科学的研究。[14]在我国目前国力有限的条件下，并不是什么样的基础研究都是合适的，更不是只要加强了基础研究就会自动促成应用技术进步。这方面杨振宁先生反对我国上马超大对撞机项目是很好的例子。
2012年中科院高能物理研究所提出建超级对撞机计划，在物理界引起了激烈的争论。高能所所长王贻芳院士认为，建不建超级对撞机关系到中国高能物理成为国际先进，还是只作为二流国家，如果不建将失去30年的机会。杨振宁先生反对该项目，一方面是基于对高能物理发展趋势的判断：70年来高能物理取得了巨大的成就，但并没有带来应用方面的好处。超对称粒子的存在只是一个猜想，希望用超级对撞机去发现这个猜想更只是猜想中的猜想。建超级对撞机须耗资一千多亿元，而且维护也要花费巨额费用。我国高能物理人才不足，建超大对撞机和以后的运行与分析，必将由90%的外国人来主导。对于我国这样的发展中国家，上了这个项目必然挤压其他基础科学的经费，也对国家解决环保、教育、医疗等等燃眉之急的事不利。[15]2016年，国家发改委对十三五规划项目评估时，以6：5否决了该项目。
可见，对于基础研究的加强，并不是什么都好或越先进越好，也不只是看基础科学研究在整个研发资金投入占多大比例，而必须根据科学发现与应用的前景，根据我国的实际情况做出谨慎选择。
2018年1月国务院印发《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，对全面加强基础科学研究做出部署，目的很明确：“瞄准世界科技前沿，强化基础研究，深化科技体制改革，促进基础研究与应用研究融通创新发展，着力实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破，全面提升创新能力”[16]。也就是说，加强基础研究落脚点最终是在提升应用领域的创新能力上。这样强调以巴斯德象限为中心的三个象限融合性研究就非常重要。
任正非拜访上海交通大学。图片来源：上海交通大学官微
2020年，任正非率领华为集团的领导层拜访了国内几家著名高校，呼吁加强对基础科学的研究和人才的培养，并与华为建立合作关系。任正非大声疾呼重视对基础科学的研究，针对的也是我国薄弱的基础科学已不适应应用科技的发展，而不是提倡科学家只凭自己的兴趣去选择基础研究的方向，或只从达到国际先进水平一个维度去思考问题。任正非所提到的我们还生产不了的一些胶、研磨剂、特种气体，都是分子工程，是高科技中的高科技，涉及到基础科学；他提到波音777飞机在制造过程中使用空气动力学软件模拟仿真，使过去需要80次风洞实验减少到现在的7次，其实讲的都是基础与应用融合的巴斯德象限的研究。[17]
这也正是我们国家对未来科技研发所明确的方向。在这个意义上，建立四个象限的科技研发分类，强调以巴斯德象限为中心的战略思路，对于我们看待和分析科技研发问题、指导科技政策都有很重要的理论和现实意义。
注释：
[1]范内瓦·布什：《科学：无尽的前沿》，中信出版社2021年出版，71页。
[2]江晓原：《重新审视：科学与技术是两个平行系统》，2021年8月5日《文汇报》。
[3]江晓原：《美国是因为重视基础科学而强大的吗？》，https://www.guancha.cn/jiangxiaoyuan/2021_11_13_614635.shtml。
[4]宁南山：“读76年前的《科学：无尽的前沿》报告，从美国科技爆发产生的一些感想”，
https://mp.weixin.qq.com/s/y0VDGGEhpRuNAyh0OXt00A。
[5]【美】D.E.司托克斯：《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，周春彦等翻译，科学出版社1999年出版，55页。
[6]【美】范内瓦·布什：《科学：无尽的前沿》，崔传刚译，中信出版社2021年出版，76页、150页。
[7]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，63、64页。对第四象限的研究人们也称之为超自由研究。
[8]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，66页。
[9]《中国造原子弹的首席功臣，于敏，到底多厉害？》，https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309634590071868162289。
[10]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，75页。
[11]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，82页。
[12]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，105页。
[13]《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，107页。
[14]樊春良：《怎样看待美国的基础研究？——评江晓原教授<美国是因为重视基础研究而强大的吗？>即另外一篇文章》，https://mp.weixin.qq.com/s/dBJTD5hLI0AwI6Rn3uXaVA。
[15]杨振宁：《中国今天不宜建造超大对撞机》，载杨振宁、翁帆：《晨曦集》，商务印书馆2018年出版。
[16]见2018年1月31日《人民日报》。
[17]任正非：《向上捅破天，向下扎到根》，载《科学：无尽的前沿》，中信出版社2021年出版。
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