超越巴斯德象限的基礎研究動態演化 模型及其實踐內涵

張慧琴，王鑫,2，王旭，孫昌璞

（1.中國工程物理研究院研究生院，北京 100193；2.中國工程科技創新戰略研究院，北京 100088）

一、前言

在當前中美全面競爭的嚴峻國際形勢下，國家需求牽引的基礎研究對我國創新型國家建設的重要性顯而易見。因此，我們必須在當代科學發展理論的框架下，全面深入理解需求牽引基礎研究的內涵和本質，掌握其基本發展規律。要充分認識到，需求牽引的基礎研究與興趣驅動的基礎研究一樣，不僅會帶來人類思想的革命，而且在顛覆性科技創新方面更具推動力。

萬尼瓦爾·布什在《科學：無盡的前沿》報告中提出了基礎研究自動引發應用技術創新這一科學發展理論 [1]。這份報告指導了之后70多年美國的科技政策，促進了第二次世界大戰后美國科學技術突飛猛進的發展，也深刻影響了世界科學技術的發展。需要指出的是，布什的理論是在不斷改進中向前發展的。唐納德·斯托克斯研究發現，巴斯德針對甜菜釀酒的應用技術研究直接導致了微生物學的建立，但這一事實在布什“從基礎到應用”的科學發展線性模型（見圖1）中找不到相應位置。為此，斯托克斯發展了布什的理論，建立了科學發展的二維巴斯德象限模型（見圖2）。該模型包括純基礎研究（玻爾象限）、技術引發的基礎研究（屬于應用基礎研究，巴斯德象限）、純應用研究（屬于技術創新研究，愛迪生象限），以及認識目的和應用動機都不明顯的探索性研究（屬于過自由探索研究，皮特森象限）4個區域 [2]。這一科學發展理論強調，應用技術牽引的基礎研究不僅與興趣驅動的基礎研究同樣重要，而且有可能直接引發顛覆性觀念的創新。

圖1 布什科學發展線性模型預言的科學研究譜線

圖2 巴斯德象限模型[2]

然而，斯托克斯提出的科學發展的巴斯德象限模型也存在一定局限性，因為不同類型的基礎研究內涵邊界是不清晰的。為了克服這一問題，本文在斯托克斯的巴斯德象限模型基礎上，引入基礎度（b）和應用度（u）的序數標度，用二維圖示描述基礎研究的演化發展過程（見圖3）；由此進一步考慮時間維度，構建了基礎研究演化發展三維模型：從時間演化的觀點看，一種類型的科學研究由一條運動軌跡所描述，而不是用靜態的4個象限來表示。基礎研究演化發展模型可以明確區分應用基礎研究和純技術的應用研究，避免了巴斯德象限模型中意義不明顯的皮特森象限帶來的邊界模糊問題。我們的模型不僅在理論上邏輯完備，而且可以準確反映各類基礎研究的特征，為分類支持基礎研究提供理論依據。

圖3 基礎研究演化發展模型

本文還以激光和強激光科技發展為例，說明該模型的正確性和優越性；基于基礎研究動態演化模型描述的基礎研究發展規律，指出對于不同類型研究中可能出現的問題，可以基于規律對癥下藥，如在巴斯德象限中的需求牽引的基礎研究，應注意的關鍵問題是主觀性誘導和誤導。

二、從布什科學發展線性模型到巴斯德象限模型

（一）布什科學發展線性模型的重要性及其現實意義

1945年，布什在《科學：無盡的前沿》的報告中指出，基礎研究會產生新概念和新原理，進一步產生新產品和新工藝，最終催生新產業并創造更多的就業 [1]。這一論斷被總結為科學發展的線性模型，對之后美國科技發展產生了重要影響，也指導了世界其他國家科技政策的制定。時至今日，布什的這一理論仍在影響著美國，多數學者認為相關報告依然具有重要的現實意義。2012年，美國總統科學顧問委員會的一份報告指出，布什科學發展線性模型將基礎研究與國家興盛有機地聯系起來 [3]；2020年5月，美國參議院和眾議院兩院議員分別向兩院提交的“無盡前沿法案”可視為對此的一種致敬 [4,5]；2020年，美國科學院的一份報告中提到，布什認識到前沿基礎科學對產業、教育和經濟發展的必要性，從而建立了政府與科學研究的新關系，推動政府對基礎科學研究制度性的資助，這一遠見卓識為美國后續幾十年的創新發展提供了強大動力，成就了美國今天的繁榮 [6]。另外，布什科學發展線性模型在國家政策上是有針對性的，旨在呼吁政府加強基礎研究 [7]。核武器與核能應用、半導體、激光、基因工程以及生物醫學技術等的發展都是線性模型的經典案例，這說明布什科學發展線性模型是極具實用性的 [8]。經濟合作與發展組織出版的《弗拉斯卡蒂手冊》繼承了布什科學發展線性模型，并對該模型進行了優化，提出基礎研究與應用研究之間存在著互相反饋影響的密切關系 [9]。

（二）布什科學發展線性模型的內涵

基礎研究活動的目的是認識世界，不必考慮實際應用，而應用研究的目的則是改造世界。布什科學發展線性模型事先將基礎研究和應用研究簡化為互相獨立的兩種科學活動，然后闡述二者關系。在這種情況下，這兩種研究活動之間存在著內在的張力，它源于資源總量的約束：

式（1）中，B為基礎研究方面的資源投入量，A為應用研究方面的資源投入量，T為資源投入總量。在總量T固定的約束條件下，A和B有此消彼長的關系。

接下來，我們探討在總量T固定的約束下科技投入的效用問題。首先，設定投入基礎研究的效用函數為Fb(B)和投入應用研究的效用函數為Fa(A)。其次，根據基礎研究和應用研究的內涵屬性，假設效用函數的不同變化方式。基礎研究的效用一開始為0，當達到一定的閾值之后，基礎研究的效用隨著投入增加而增加，但是邊際效用（效用變化率）Fb′(B)逐漸降低；應用研究的效用也是隨著投入增加而增加，但是邊際效用Fa′(A)呈現出先增后降的趨勢（見圖4）。這是因為在通常情況下，基礎研究一旦突破，開始時會增長較快，之后逐漸變慢；而應用研究需要先期積累，隨后才會迅速增長，之后增長減緩，二者變化規律相似但并不同步。如果基礎研究和應用研究相互獨立的話，在總量T一定的條件下，基礎研究投入過多會擠占應用研究的投入，將導致總投入的邊際效用降低。因此，總的效用函數為：

總的邊際效用函數為（見圖4中的藍色虛線）：

根據公式（3）和圖4中藍色虛線的趨勢，特定的投入A值后，總的邊際效用會變成負的，也就是說，對基礎研究過多投入擠占了應用研究的資源導致科技投入總的社會效用下降。然而，就科學發展的實際情況而言，這一結論顯然是不正確的，原因在于假設了Fa(A)和Fb(B)是獨立的，僅依賴各自的獨立投入，而基礎研究可以是促進應用研究發展的內生變量。因此，Fb不僅是應用研究投入B的單調增函數，而且還是Fa的增函數：

這時，對于基礎研究投入而言，總的邊際效用有可能不再為負，而是隨著A的增加而增加（見圖4中的黑色曲線）。這就是布什科學發展線性模型能夠在一定場景下正確描述科技進步的社會經濟學機制。

圖4 基礎研究效用、應用研究效用與科技投入變化的示意圖

（三）對布什科學發展線性模型的質疑

布什科學發展線性模型自誕生之日便引發了諸多學者的質疑，尤其是針對該模型中暗含的“基礎研究和應用研究之間存在明確的界限”這一論述引起了廣泛而長期的爭論。有學者認為，基礎研究和應用研究之間沒有明確的界限，并試圖以自由性研究和計劃性研究來取代基礎研究和應用研究；有學者認為，基礎研究可以分為任務定向的基礎研究和自由的基礎研究，其中任務定向的基礎研究是期望有直接的、可預見的使用價值的基礎研究；也有學者進一步將任務定向的基礎研究稱為定向基礎研究，并且認為“基礎”和“應用”不是反義詞，直接面向應用的研究工作在性質上也可以是廣義的基礎研究 [2]。

斯托克斯通過分析巴斯德甜菜釀酒的研究，將布什科學發展線性模型拓展為二維的象限模型（見圖2），即巴斯德象限模型 [2]。巴斯德象限模型在已有的基礎研究和應用研究定義基礎上，增加了“基礎性”這一判斷依據，簡單地將一維模型拓展成二維模型，并在一維模型的基礎研究和技術開發之間增加了應用基礎研究。然而，巴斯德象限模型卻難以較好地解釋額外增加的、既不考慮應用又不追求基本認識的象限（即皮特森象限），同時也忽視了研究活動屬性隨時間因素的變化。鑒于上述模型的問題與不足，需要進一步完善和拓展科學發展的模型，以更好指引科學發展規律的探索。

三、超越巴斯德象限的基礎研究動態演化模型

從科學發展動態演化的角度來考察科學研究可以發現，基礎研究和應用研究的自身屬性在各自變化的同時，還會相互影響和相互滲透。為此，本文明確引入時間維度。我們首先認識到，布什科學發展線性模型以外的任何研究劃分都未能有效解決“界限模糊”問題，例如，“任務定向研究”和“自由基礎研究”的劃分并不能排除“自我定向”的目標驅動，自由只能是相對的。因此，本文從發展的眼光出發，不再執著于科學研究不同類型劃分的“邊界問題”，而是從不同研究類型之間相互影響和相互轉換的角度入手，吸收巴斯德象限模型的合理之處，拓展布什科學發展線性模型，建立基礎研究動態演化模型。

首先，引入基礎度和應用度兩個維度來表示一項科學研究的形態，其中，基礎度為b，表示一項研究工作的基礎性程度，b∈（0,1）；應用度為u， 表示這項研究工作的有用性，u∈（0,1）。在接下來的討論中，將u和b歸一化，以它們構成二維坐標系中的點來表示一項基礎研究工作形態。例如，關于玻爾模型和狹義相對論的研究是在不考慮應用目的的基礎上開展的，因此，b=1，u=0；而電話和電報的發明是基于應用目的開展的研究，因此，u=1，b=0。當然，b和u的取值只有序數的意義，這與微觀經濟學中效用函數的內涵一致。例如，假設玻爾模型和激光理論的基礎度分別 為b=1，b=0.8，這僅能表明前者比后者更基礎，但基礎程度具體差多少是沒有實用意義的。然而，如何對u和b賦值，必須有“拓撲”不變性，如假設激光理論的基礎度為b1=0.8，可以將強激光放大方法的基礎度賦值為b2=0.7或b2=0.68，但絕不能改變次序，變為b2=0.82。如圖3所示，靠近縱軸“1”附近的區域表示基礎性程度高，靠近橫軸“1”附近的區域代表應用性程度高，而它們之間的扇面區域代表既有較強基礎性又有一定應用前景的研究工作，當然這類工作仍然屬于基礎研究的范疇。

在圖3中，對于一項具體研究工作，在特定時刻其只能處在一個點上，在某種外部要素的驅動下，這些點是會沿著驅動力的方向演化的。如果只有自由探索的興趣驅動，研究工作必定沿著平行于縱 軸（b）的方向發展，從創新技術出發，作為新的研究工具應用到純科學研究中，最后逐漸逼近基礎程度為“1”的點，產生純基礎性的研究工作，如玻爾原子理論。如果以應用為主要目的，研究工作將沿著平行于橫軸（u）的方向演進，而這個水平方向的軌跡移動可與布什科學發展線性模型一致。需要指出的是，上述論述是就整個科學研究群體而言的，科學研究的總體投入是一個驅動力，它契合了科學應用的目標，自然導致理想科學譜線的形成。

驅動科學研究的目標不是單一的，既有技術應用，又有純粹的興趣驅動，從而導致研究工作沿著一條不平行于坐標軸的理想曲線（見圖3中的藍色曲線）而進化。驅動科學研究的目標也會隨著時間的變化而變化，科學家的研究過程可以是從基礎研究發展到應用研究，也可以是從應用研究中得到啟發進而回到基礎研究。基礎研究發展的狀態演化曲線是基礎研究動態演化模型的具體體現，表示的是不同類型基礎研究的發展動態（見圖 5中的紅色曲線）。當前，很難明確定義一項科學研究是基礎研究還是應用研究。圖5（a）和圖 5 （b）分別代表的是純基礎研究和單一的技術應用研究工作，僅代表在一項科學研究過程中某個特定時間范圍內的發展狀態。在長期的科學發展中，基礎研究始終居于基礎研究狀態，應用研究始終限于技術發展的狀態是不多見的，大部分的科學研究如圖 5（c）所示，在研究開始時可能源于基礎研究，然后通過初級的應用研究進入技術開發階段，接著技術開發反過來促進應用研究，最后進一步推動基礎研究。另外，有一部分基礎研究也可能是由技術創新驅動的（見圖 3中的藍色曲線）。

圖5 科學研究發展的狀態演化曲線

四、案例分析：激光與強激光的發展

為進一步闡述基礎研究動態演化模型的實際意義，本文以激光和強激光的誕生與發展為例，展示基礎研究、應用研究和技術進步之間的關系。由圖 6可以看出，激光研究是在基礎研究、應用研究以及技術開發之間穿梭的，是一種相互促進、螺旋上升的科學研究過程。

圖6 激光與強激光發展的科學研究狀態演化曲線——應用目標牽引的路線圖

激光的出現并非來自于對自然界自由探索的研究需求，而是源于對雷達及其軍事應用需求。雷達是第二次世界大戰中最重要、最關鍵的軍事需求之一。為提高軍事雷達的工作頻率以改善觀測精度，查爾斯·湯斯利用受激輻射原理和微波諧振腔建造出了第一臺微波激射器，以氨分子作為增益介質 [10]。由于微波極易被大氣中的水蒸氣吸收，微波激射器在軍事雷達應用上并無價值，但卻為研究微波與分子的相互作用提供了一種前所未有的高頻率和高分辨率探測工具。之后，微波激射機制被應用到可見光頻率范圍，并于1960年制造了第一臺激光器，以紅寶石為增益介質 [11]。此后，基于不同增益介質、具有不同特性的激光器相繼出現。激光在多個領域得到廣泛應用，同時激光作為一種具有特殊優良性質的光源，應用于相關的基礎研究后催生了一系列新的研究領域，如非線性光學、量子光學、超冷原子分子物理等，拓展了人類對微觀物質的理解與操控能力以及對光（電磁場）本身的理解。

激光出現后，如何不斷提高激光的強度成為研究的重點。通過不斷泵浦增益介質并增加脈沖在諧振腔內的往返放大次數可以產生更強的激光脈沖，但是能夠達到的峰值場強上限約為109W/cm2，繼續提高場強則會破壞增益介質，而最終克服產生更強激光瓶頸的技術仍然來自于雷達 [12,13]。杰哈·莫羅和唐娜·斯特里克蘭在20世紀80年代中期將雷達的啁啾脈沖放大技術引入到光學領域，突破了產生強激光的技術瓶頸 [14]，目前大型強激光系統的峰值場強可以達到1021~1022W/cm2。

超強激光的發展催生了一系列新的基礎研究領域，如強場原子分子物理、激光等離子體物理、高能量密度物理、實驗室天體物理等。目前，基于強激光的慣性約束核聚變則是兩種主要的實現可控核聚變的途徑之一。慣性約束核聚變產生的高溫、高壓、高能量密度的極端條件與核武器的動作過程有很多相似之處，已逐漸成為一個集成多個前沿基礎研究方向的研究領域。

通過分析激光研究發展歷程可以看出，從雷達技術的應用，到微波激射原理的發現，再到激光技術的發明，最后到產生激光物理等，本文提出的模型能很好地闡釋這一系列基礎研究和應用研究的互動過程，也與全球研究理事會提出的基礎研究與創新之間動態互動的觀點不謀而合[15]。

五、需求牽引下科學研究的證偽與學術誠信

通過分析基礎研究動態演化模型以及具體的案例可以看出，需求為基礎研究提供了廣闊的牽引動力，進而催生出重要的新興領域和顛覆性技術。然而需要注意的是，過度的需求導向可能會引發學術不端的風險；需求目標過于清晰，可能會導致科學研究迎合需求細節而產生人為造假。近年來，國內外學術造假、學術失信問題頻發，在一定程度上阻礙了科學研究的正常發展，造成了學術資源的浪費。例如，德國科學家舍恩的學術造假事件，被視為科學界的最大丑聞之一，其利用晶體管微型化在柔性芯片制造和計算機下一步發展中的關鍵需求，系統性地偽造了大量實驗結果，是一個典型的迎合需求編造數據的案例 [16,17]。因此，對于需求牽引的基礎研究，要關注其可證偽性，避免科學研究的主觀性以及學術失信情況的發生。

在國防科研領域等國家戰略需求牽引的科學研究，限于保密性、不可公開驗證等客觀因素，“證偽”更難，若發生學術造假，產生的后果更為嚴重。事實上，相比玻爾象限的純基礎研究，需求牽引的基礎研究應用場景更為清晰，甚至有明確的國家任務使命，研究成果必須經得起時間和實踐的檢驗。因此，對需求牽引的基礎研究的支持，也應與其發展規律相適應，要立足長期目標驅動的原始創新，以分級解決問題為導向 [18]。對于顛覆性創新，尤其是涉及到解決國防和國家安全問題的，特別要注重“證偽”，發揮好基礎研究對關鍵技術的方向性判定作用，防止迎合需求而產生的“偽顛覆”或“偽創新”的“科學技術”。

國防科研等領域的研究更為聚焦，實際需求的結果導向明確，研究意義重大。這類研究的應用目標清晰，但問題較為復雜，其可能的解決途徑并不唯一，更容易出現來自競爭國家的戰略誤導。例如，若干年前歐洲和美國倡導了量子密鑰分發的研究，并且該研究在我國掀起了量子通信研究的高潮并獲得大量科技資源投入；然而，近年來英國、美國、法國卻都發布了禁止量子密鑰分發使用的禁令報告 [19~22]，不知是事屬蹊蹺還是戰略誤導，非常值得深入探究。另一個例子是“量子霸權”（quantum supremacy，或譯為“量子優越性”），這是美國科學家提出的概念，然而，當我國已在該領域取得重大突破后，美國科學家又指出該概念存在邏輯問題（teapot檢驗） [23,24]，此時我國業已有了太多的投入。為此，在當前國際科技競爭更為激烈的趨勢下，需要防備他國可能主動實施的戰略誤導行為。

六、結語

本文回顧了布什提出的科學發展線性模型以及對該模型發展和完善的進展，從投入效用角度分析了其內在機制，并提出了闡釋基礎研究發展規律的動態演化模型。布什科學發展線性模型是用一維來表示的，認為從基礎研究到應用研究是一個自發過程，然而該模型在當前科技發展的新趨勢下，割裂了基礎研究和應用研究之間的復雜關系；斯托克斯將布什科學發展線性模型拓展為二維表示的巴斯德象限模型，但仍無法精確呈現基礎研究與應用研究之間的關系，且模型中存在難以明確界定的“皮特森象限”。鑒于這些問題，本文引入時間維度，建立了包含基礎度、應用度、時間3個維度的基礎研究動態演化模型，可以更好反映基礎研究、應用研究和技術開發之間的螺旋形互動上升的邏輯關系，同時很好地呈現出布什科學發展線性模型與巴斯德象限模型的合理部分。

不可否認的是，科學研究中的純基礎研究代表了人類寶貴的自由探索精神，可以不斷開拓前沿知識領域，催生新的重大科學思想和科學理論，無疑是科技進步不可或缺的動力，因此，通過純基礎研究的探索來孕育重大科學突破應是世界大國長期支持與加大投入的方向 [25]。在國際科學合作與競爭格局下，以應用為導向的基礎研究逐漸受到更多重視，同時也應清晰認識基礎研究與應用研究、試驗發展的關系及這一關系的重要性 [5,26]。本文提出的新模型特別強調了需求牽引的基礎研究的重要性，并以激光與強激光發展這一目標牽引的研究為例，通過分析其基礎研究演化路徑，從新的視角和清晰的圖示闡述了自由探索和需求牽引雙輪驅動的科學發展全景圖。

值得注意的是，雖然需求牽引的基礎研究重要性不言而喻，然而歷史案例卻提醒我們，以需求牽引為導向的基礎研究尤其要注重學術誠信問題，應更加嚴格地遵循科學研究“可證偽性”的要求，以經得起時間和實踐的檢驗。同時，在當前國際科技競爭不斷加強的態勢下， 要科學地甄別他國可能存在的戰略誤導行為。

致謝

感謝中國工程物理研究院研究生院董輝研究員對本文在撰寫和材料方面提供的幫助。