基礎研究與現實應用的聯系

□本杰明·瓊斯（Benjamin Jones）

基礎研究和應用研究不應該對立起來，應用性越高的研究越有可能對基礎科學產生影響

19世紀的幾何學和愛因斯坦的相對論，與優步（Uber）有什么聯系？研究證明，兩者有著相當緊密的聯系。

優步等移動應用可以通過位置共享將用戶和附近的可用汽車聯系起來，其理論基礎是全球定位系統（GPS）技術。GPS技術需要一個在地球表面和衛星之間傳輸數據的衛星網絡；但如果衛星的設計沒有考慮到時間在地球和太空中是不同的這一事實（愛因斯坦廣義相對論的一個原則），衛星就無法正確地傳遞數據。而愛因斯坦的廣義相對論依賴于黎曼幾何，黎曼于19世紀創立了這一理論，研究空間和曲線之間的關系，雖然當時它被認為是毫無用處的理論。

這個故事反映了一個關于基礎科學和學術價值的爭論。那么，推動了經濟繁榮的市場創新，究竟與基礎科學研究有著怎樣的聯系？

這是一個十分重要的問題。政府向學術中心、政策實驗室等機構投入了大量資金，但是這些投資會帶來多少回報呢？基礎科學研究是否最終能夠帶來實用的進步？

關于基礎科學研究的價值，一直存在明顯對立的兩類觀點。一些人認為科學研究是有應用價值的新知識投資；而另一些人則認為，科學研究是孤立的，在實際應用中很難產生回報，正如市場創新極少依賴于大學或政府實驗室的研究。對這個問題的態度，將直接影響政府資助基礎科學研究的政策。在這一背景下，我們深入考察了專利發明和基礎研究之間的聯系。

基礎研究與實際應用的分離程度

過去的研究文獻通常聚焦于大學或其他研究機構的科學家是否擁有專利或創辦企業，因為這將支持科學家與應用之間的直接聯系。但這類研究的問題在于，科學家的發現，就像前文提到的黎曼那樣，不僅能被最初的發現者使用，其他了解的人也可以使用。此外，某個發現可能引致其他研究并最終實現應用，這意味著研究與其支撐的創新之間可能沒有直接聯系，但存在高度的間接聯系。

為了解釋基礎研究和相關應用之間的直接和間接聯系，我們查找了1976-2015年美國專利商標局授予的全部480萬項專利，以及二戰以來科學引文索引數據庫（Web of Science）可以檢索到的全部3200萬篇期刊論文。

大部分專利是由企業申報的，代表著潛在的市場創新。大多數研究論文都來自大學等研究機構。因此，這項研究不僅能夠追蹤科學研究和發明創新之間的聯系，還有助于追蹤從非盈利研究機構到企業的知識流動。我們的研究直接受益于大數據的發展，因為只在過去10年內，才可以獲得研究所需的大量數據。

鑒于論文和專利都提供了參考文獻和引用來源，我們構建了一個類似社交網絡的地圖，將專利和論文聯系起來。我們編寫了一個算法，根據所引用的中間論文或專利的數量，找出任意兩項之間的最短距離，有效識別給定專利或發明的“科學譜系”。

科學不應停留在象牙塔

我們發現，科學研究與未來的實際應用之間存在著非常廣泛的聯系。

雖然一些論文沒有被之后的研究引用過，但是在至少被引用過一次的研究論文中，80%的論文可能與后來的專利有關。與此同時，61%的專利與至少一篇研究論文相關。事實上，即使是在跨學科領域，大多數論文與專利之間的距離平均只有2-4項研究。

毫不奇怪，在數學等更抽象的科學領域，研究論文與專利之間的平均距離要比計算機等應用科學遠。此外，市場影響力最大的專利（根據市場估值來衡量）往往是科學密集型的，相較于其他專利更直接依賴于科學進步。

總的來說，我們的發現表明基礎科學研究十分重要。但科學進步并不像古老的諺語所說的那樣，“一棵樹在森林中倒下，即使周圍沒有人聽到它倒下的聲音，但它倒下時的確發出了聲音”。相反，縱觀科學文獻，我們發現未來的專利（尤其是最具價值的專利）與基礎研究之間有著廣泛的聯系。

瞄準巴斯德象限

我們同樣研究了如何最大程度地發揮基礎科學研究的潛在影響。也就是說，科學家如何才能從一開始就選擇正確的研究對象呢？

有一種浪漫的觀點認為，科學研究主要是由好奇心驅動的：一個學者選擇了某一條研究路線，是因為他碰巧發現這個領域很吸引人，而不管它的應用性如何。對應用性的關注可能會被一些人視為不是“真正的”科學。

圖 科學（應用與基礎）研究的象限模型

與此相反，我們的研究結果表明，應用性越高的研究越有可能對基礎科學產生影響。特別是那些被專利直接引用的研究論文往往會成為科學領域的“全壘打”，即成為被其他科學家廣泛引用的杰出論文。因此，關注現實世界的問題不僅可能促成能夠直接應用的專利，還能推動科學發展，深刻影響人們對于世界的理解。

如圖所示，第Ⅱ象限代表既由求知欲引致又以應用為導向的研究，我們稱之為“巴斯德象限”。這是以19世紀著名生物學家巴斯德的名字命名的，因為他在許多前沿基礎科學領域研究的動力是為了解決食品安全等難題。比如他從牛奶中除去有害細菌的努力，使他同時發現了現代生物學最重要的觀點之一——細菌會引起特定的疾病。

所以，基礎研究和應用研究不應該對立起來，兩者都很重要，但巴斯德所做的跨越兩者界限的工作——由現實問題構成且致力于解決現實問題的科學研究——也是富有成效的。

總之，我們發現，在科學研究中，有相當大的一部分與實際應用聯系緊密。這種聯系有的是間接的，表明基礎研究可能在最終的實際應用中獲得多種多樣和意想不到的回報。與此同時，與實際應用最直接相關的科學研究也在科學領域產生了重大影響。像巴斯德那樣做研究更有可能成為科學領域的“全壘打”。