國家實驗室研究領域富化機理研究
——以勞倫斯伯克利國家實驗室為例

聶繼凱

(揚州大學商學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

作為國家戰略科技力量引領者的國家實驗室，因在支撐國家戰略目標實現、提升科技創新能力、推動國民經濟發展、增益社會發展福祉等各方面發揮重要作用而備受各國青睞[1]。 “十四五”規劃明確提出加快構建以國家實驗室為引領的戰略科技力量，并著力在量子信息等重大創新領域組建一批國家實驗室的戰略布局，這不僅回答了要不要繼續探索建設國家實驗室的問題，更進一步將建設國家實驗室提升至戰略引領層面，所以怎樣建設國家實驗室成為當前急需破解的問題。在一系列解構與細分的重要問題中，國家實驗室研究領域生態群落何以形成被國內外國家實驗室實踐探索輕視甚至忽視。然而，國內外國家實驗室實踐探索經驗或教訓一再證明，國家實驗室建設、運營與發展成功與否的關鍵之一便是國家實驗室是否富化出較好的研究領域生態群落[2]，進而解析國家實驗室研究領域富化機理便成為國家實驗室建設實踐中急需破解的問題。

面對實踐急需，已有文獻研究主要聚焦以下方面：一是國家實驗室實踐探索經驗研究。例如，卡文迪什實驗室在選擇研究方向和遴選人才[3]，勞倫斯伯克利國家實驗室在科技決策以及埃姆斯國家實驗室在推進自身網絡化發展等方面的系列實踐探索經驗[4-5]。二是國家實驗室的定義、分類、功能等研究。例如，曾衛明等[6]認為國家實驗室是以國家重大戰略需求為導向，以國家重大基礎研究、戰略高技術和系統集成技術研究為重點，引領國民經濟相關行業技術領域整體突破，實現多學科交叉與融合的國際一流綜合型國家研究實驗基地；Crow等[7]以 “政府影響”和 “市場影響”程度二維向量及其各自的三級影響程度，將國家實驗室分為九種類型；Mishra 等[8]借助數據統計后發現，國家實驗室顯著作用于國家的科技研發與創新。三是國家實驗室運行機制研究。例如，Jordan等[9]、Tran等[10]、危懷安等[11]和寇明婷等[12]分別對國家實驗室的評估機制、技術轉移機制、人才選擇與作用機制、經費配置與管理機制的分析。四是國家實驗室管理模式研究。例如，周寄中等[13]認為GOCO 模式利于國家實驗室減少政府干預、盤活社會資源、引入先進管理等；黃繼紅等[14]梳理了英、德、法三國的國家級實驗室運行經驗后歸納出GOCO、GOGO和COCO三種管理模式。五是國家實驗室運行影響因素研究。例如，Jordan等[9]、Heinze等[15]認為先進設備與儀器、外部合作與交流、資助與研究主旨連續性、果斷且靈通的高層管理等因素均對國家實驗室運行產生顯著影響。盡管已有研究成果豐碩，但尚未觸及國家實驗室研究領域富化機理研究。

國家實驗室研究領域富化機理研究既利于拓展已有研究脈絡，還可以為實踐探索提供相應參考，具有重要的理論和實踐意義。 “富化”引自生物或生命科學，原指某種物質或不同物質量、質或種類的提升和增加過程、狀態[16-17]，這一含義能夠恰當表達國家實驗室研究領域的增加過程和狀態，由此進一步精準概念化國家實驗室研究領域富化是指國家實驗室研究領域由單一結構向多元生態群落生成的過程及其狀態。2019年美國能源部 (DOE)以24個研究領域是否具備核心競爭力為評估框架，評估了科學辦公室下轄的10個國家實驗室，其中勞倫斯伯克利國家實驗室 (Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)以23個研究領域具備核心競爭力的評估結果與橡樹嶺國家實驗室并列評估榜首，其研究領域生態群落占優態勢可見一斑，而其發展起點僅為一個由勞倫斯等五人始創的小型核物理研究實驗室。歷經90年的發展，LBNL實現了研究領域從結構較為單一向高質量生態群落的富化演變，為探究國家實驗室研究領域富化機理提供了絕佳的案例支撐。

1 國家實驗室研究領域的富化歷程

可持續運行良好的國家實驗室研究領域總體上呈現由少到多并形成生態群落的富化歷程，這在LBNL研究領域中表現明顯，如表1所示。首先，研究領域由少到多趨勢明顯，即由最初的四個主要研究領域富化至目前的20個主要研究領域。其次，研究領域形成生態群落，包括基于各研究領域間緊密互動關系形成的生態群落，如在物理學、化學、加速器科學與技術、工程學等研究領域互動、整合基礎上形成的核科學研究領域生態群落；基于各研究領域內部衍生細分研究領域形成的生態群落，如基于加速器科學與技術內部衍生回旋加速器、直線加速器、同步加速器、材料測試加速器、質子加速器等細分研究領域而形成的生態群落；研究領域生態群落具有時間向量上的歷時動態調整性——從1946年至1969年圍繞核科學研究形成了核科學研究群落；1970年至1989年，能源科學與技術、環境科學與技術、材料科學三大研究領域迎頭趕上，呈現與核科學 “四分天下”的形勢；1990年至今，總體上呈現能源科學與技術、環境科學與技術、材料科學研究實力反超核科學，占據核心區位，計算科學、計算機科學迅猛發展，走向中心區位，核科學退居相對邊緣區位的局面。

表1 LBNL研究領域的富化歷程

2 國家實驗室研究領域富化機理的構成及其作用過程

梳理LBNL的90年研究領域演化史，提煉出如圖1所示的國家實驗室研究領域富化機理：在時空約束生產要素的前提下，多元化協同參與主體借助相應設施化承載手段，融合持續增值知識，附加政策集成作用，通過培育、發展、鞏固和淘汰研究領域推動國家實驗室研究領域日趨富化，且富化結果反作用于時空、主體、手段、知識和政策質態的改變，助力國家實驗室研究領域躍遷入下一輪更高層次的富化過程。

圖1 國家實驗室研究領域富化機理框架

2.1 生產要素的時空約束

時間以前后相繼的縱向持續累計和再生產影響生產要素的數量、質量及其結構，并據此作用于國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰。例如，20世紀30年代LBNL形成的五個研究領域即源于在這之前相關知識、人才、資金等生產要素的長期積累，之后包括在LBNL長期核試驗運算和防輻射研究中累積和再生產相關知識、設施、人才等要素基礎上形成的計算科學研究領域和材料科學研究領域，緊隨LBNL各類加速器持續建造和運行而始終保持高水平研究能力的加速器科學和技術研究領域，以及緊隨核科學進入核聚變研究時代后LBNL重新調整生產要素布局，實現了 “核裂變研究領域收縮-核聚變研究領域發展”的研究領域變遷等。

空間以生產要素在不同地理環境中的相對優勢，及其橫向流動作用于國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰。例如，LBNL核科學研究領域在20世紀30年代至60年代迅速形成并發展的原因包括：美國通過本土培養和外部引進等方式，積累起當時全球來看較為富集的核科學專業人才儲備[18]；美國第二次工業革命為LBNL核科學發展所需的各類科研儀器設備制造提供了條件；隨著當時美國政治由 “自由放任主義的杰弗遜傳統”向 “強有力的政府管理的漢密爾頓傳統”轉變[19]，政府職能擴展至科技創新領域，為政府以龐大政府預算支持LBNL核科學發展提供了條件；LBNL所處的加利福尼亞州坐擁加州大學伯克利分校、加州理工學院和斯坦福大學，這些高校正是美國當時培養核科學人才的核心力量。20世紀70年代 LBNL核科學研究領域開始實施壓縮研究范圍基礎上的鞏固策略，原因之一在于美國形成了橡樹嶺國家實驗室、洛斯阿拉莫國家實驗室、阿貢國家實驗室等一批從事核科學研究的一流科研機構，這使得生產要素流向趨向空間分散化，終使LBNL當初核科學研究一家獨大所依托的獨占性資源供給格局不復存在。

2.2 多元化主體協同參與

政府、高校、科研院所、企業等多元主體合力作用于國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰，一方面體現為某一主體內部多層次間參加，例如LBNL加速器的建造、升級不僅依靠聯邦政府，還有加州政府的鼎力支持；另一方面體現為不同主體間的通力合作，例如LBNL加速器的建造、升級還吸引了聯邦電報公司等工業公司、加州大學等高校、普林斯頓等離子體物理實驗室等科研機構、洛克菲勒基金會等非政府組織主體的廣泛參與。此外，20世紀70年代LNBL核科學研究領域收縮的重要原因在于，多元化參與主體尤其是政府開始降低對核研究領域的投入力度，轉而加大對能源、環境、材料等研究領域的支持。

具體到微觀執行主體，如表2所示，同時結合表1可得，以國家實驗室主任為代表的科學家研究專長和偏好，顯著影響國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰。例如，Lawrence對核科學的偏好使其在任職前期著力累積核科學研究領域形成所需的各類資源；Sessler在能源與環境科學方面的研究專長促進了LBNL環境與能源科技研究領域在其任職期間正式形成，并得以快速發展，同時因其向能源、環境、材料等研究領域的傾斜性資源投放，使得核科學研究領域不得不因資源相對短缺而淘汰電磁型同位素分離器等細分研究領域；六任實驗室主任的物理學研究背景使得LBNL在物理學、核科學、加速器科學等傳統研究領域內的優勢地位難以撼動。

表2 實驗室主任研究專長或個人偏好與實驗室研究領域的發展

多元參與主體間形成了以政府為中心的協同參與網絡，即政府聯合其他參與主體，通過實驗室主任借助資源引導投放的方式作用于國家實驗室研究領域的整體布局，這種傳導機制一般通過政府掌控的絕對占優資助資金實現。例如，2020年LBNL約10億美元的經費預算中能源部直接資助金額占比79.76%，且能源部在實驗室五個研究領域中的投入配置引導了所有資助主體的整體性資金投入結構與走向 (見表3)。

表3 LBNL五個研究領域的資金占比

2.3 手段的設施化承載

培育、發展、鞏固與淘汰國家實驗室研究領域的手段多種多樣，但依托重大科技基礎設施是其中最為直接和重要的一種。例如，LBNL先進光源、分子鑄造、能源科學網絡 (ESnet)、聯合基因研究所和國家能源研究科學計算研究中心五個國家級重大科技基礎用戶設施及其一系列其他層級的科研儀器設備，為實驗室二十多個核心研究領域的形成與發展奠定了基礎。同時，一些研究領域的淘汰則源于相關設施的退役或缺乏，如由于核反應堆沒有建造而致使LBNL核反應堆研究領域難以持續發展。

重大科技基礎設施作為國家實驗室研究領域富化核心手段，主要通過設施建造、運營本身和其平臺屬性發揮作用。例如，從LBNL建立之初的11英寸回旋加速器，歷經多尺寸 (11英寸、60英寸、88英寸等)和多類型 (回旋加速器、直線加速器、同步加速器、質子加速器、重離子加速器等)加速器升級、改造、退役的 “新陳代謝”，直至發展到目前的先進光源，持續推動了實驗室加速器科學與技術研究領域的高水平發展；同時，作為一種科研平臺，加速器不同程度地助力于LBNL各研究領域的形成與發展，包括LBNL材料科學最先發軔于依托加速器設施進行的核材料和防輻射材料研發，基因組學始發于依托加速器開展的醫學和生物學研究，計算機科學源于對加速器科研數據的分析和處理等。

目前設施化承載不再局限于國家實驗室擁有產權的重大科技基礎設施，而是一切可以使用的相關設施，即區域化和全球化設施使用支撐下的研究領域富化成為當下國家實驗室發展的新常態。例如，LBNL與費米國家實驗室等多個研究機構組成費米對撞探測器研究小組以尋找頂夸克，這進一步推動了LBNL高能物理研究領域的發展；與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室組成聯合基因組研究所，致力于人類基因組測序，助力LBNL生命科學研究領域進步；聯合五所國家實驗室、兩所高校組建聯合生物能源研究所，致力于新興生物能源研究，提升了LBNL生物科學和能源科學與技術研究領域的研究實力。

2.4 知識的增值供給

從知識角度看國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰，即為知識增值的始發增值、快速增值、高位徘徊和負增值，具體表征為表4中各研究領域發文量排位名次的變化。此外，表4還揭示出知識增值主要通過累積性和交叉性知識增值兩種方式實現，前者表現為同一研究領域內知識持續自我累積誘發知識再生產，如物理學等研究領域內的知識再生產；后者表現為不同研究領域或不同學科間知識互動誘發知識再生產，如源于生物學與化學交叉研究的生物化學知識再生產。同時，某研究領域內的知識增值狀態若長期處于負增長，則此研究領域將趨于萎縮甚至被淘汰，如藥理學等研究領域。

無論是累積性還是交叉性知識增值主要通過人、設施和信息共享平臺三類載體實現，人才累積和流動為知識增值提供人力資本。如表2所示實驗室主任直接影響LBNL相關研究領域的知識增值，既作為知識生產來源又作為知識生產平臺的科技基礎設施直接推動知識增值的發生。例如，LBNL各類加速器既推動了加速器知識，也推動了以此為依托的核科學等各類衍生性知識的生產與積累；以實驗數據庫、文獻數據庫等為代表的各類信息共享平臺促進了各類知識的有效積累、流動、交叉、融合和再創新，LBNL的ESnet目前已覆蓋美國全境，并延伸至英國、法國、德國、俄羅斯、中國、日本、歐洲核子研究中心等16個國家、地區或國際組織，為LBNL能源科技知識再生產提供了全球性知識支撐。

2.5 政策的集成作用

政策以集成研究領域形成動力 (國家戰略和科技發展所需)和研究領域形成條件的方式作用于國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰，形成了 “國家戰略與科技發展趨勢-政策-資源”的政策集成作用邏輯。其中，國家戰略動力表現為國家戰略需求的引領，科技發展動力表現為科技本身產生、發展規律的自我驅動，政策表現為各類法令條規與計劃等，形成條件突出表現為資助資金的有序供給。例如，隨著環境污染問題日益突出，解決環境安全問題在20世紀70年代上升為美國國家戰略，與此同時核輻射控制、污染整治等環境治理科學與技術形成初步研究基礎，但急需走向縱深，在此背景下政府通過出臺 《國家環境政策法》 《清潔水法案》 《瀕臨滅絕物種法案》等將國家戰略與科技發展需求吸收入政策，并借助這些政策在成立環境保護局等各種專門組織的同時大力引導資助資金流向環境研發領域，以推動環境問題的解決，20世紀70年代LBNL環境研究領域的迅速崛起及發展即得益于此，其完整的政策集成作用邏輯如圖2所示。

政策引導下的資金配置對國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰影響較為直接。2004年能源部科學辦公室公布了未來20年的科學研究計劃，包括七個短期 (國際熱核反應堆項目、核聚變科學實驗、通過先進的科學計算推進科學發現、納米科學用于新材料和新工藝、微生物基因組學、以物理學探索創造的基本力量、探索新形式的核物質、為未來的科學發展研發新儀器設備)和七個長期 (能源科學、能源和環境生物學、核聚變能源、物質和時間基礎研究、從夸克到恒星的核物理研究、科學計算、建立新科學資源基礎)科學研究重點或目標。受其影響，2001—2020年LBNL與之契合研究領域的資金資助變化如表5所示。結合表1、表4可以發現，LBNL研究領域富化顯著體現出 “政策引導資金配置進而作用于研究領域富化”的邏輯；同時，一些收到資助較少 (如力學研究領域等)或通過市場途徑即可解決的技術研發領域 (如醫療診斷領域等)則逐步被壓縮甚至被淘汰。

表5 2001—2020年LBNL重點研究領域資金配置情況 (單位：千美元)

2.6 方式組合與富化躍遷

國家實驗室研究領域富化主要通過培育、發展、鞏固和淘汰四種方式實現，其中，培育著重新研究領域的孕育，即在充分調動與整合前述空間、主體、手段、知識和政策等生產要素的基礎上培育國家實驗室新研究領域。表1和表4中各類新增研究領域的孕育均基于已有生產要素基礎上的整合和推進；發展側重聚集生產要素推動研究領域形成，表現為各類新增研究領域的正式出現；鞏固側重傳統優勢研究領域的維持與增進，或通過領域內的自我累進發展，或通過向領域內注入新發展要素，如LBNL加速器科技研究領域內多類型加速器分支研究領域的形成，物理學研究領域內普通物理學、實驗物理學、高能物理學和理論物理學的持續擴容等；淘汰注重對劣勢或已無發展前景研究領域的壓縮或剝離，實現有限資源盡快轉移至優勢或新興研究領域，如LBNL自20世紀70年代開始相對壓縮核科學研究領域，并致力于環境與能源研究領域的培育與發展?？傊峭ㄟ^培育、發展、鞏固與淘汰四種方式的動態組合，實現了 “新陳代謝”基礎上的國家實驗室研究領域富化——培育利于研究領域的持續拓展，發展利于研究領域的不斷壯大，鞏固利于研究領域的穩定存續，淘汰利于研究領域的減負前行。

時空、主體、手段、知識和政策通過各自作用機理并歷經培育、發展、鞏固和淘汰四種實現方式，推動了國家實驗室研究領域的富化，然而富化不僅是一種結果，也是新一輪研究領域富化過程的條件輸入，即富化結果反作用于時空、主體、手段、知識和政策相態的改變，進而助力國家實驗室研究領域躍遷入新一輪更高層次的富化過程。表1和表4均顯著表征了國家實驗室研究領域的螺旋式上升富化模式，而非滯留在某一層次上的封閉式簡單循環。例如，基于物理學、化學、加速器科學與技術、工程學基礎上形成的核科學，之后其又成為實驗室后續能源與環境科學、材料科學等新增研究領域的形成基礎。

3 研究結論及啟示

通過對LBNL研究領域90年發展史的系統梳理和剖析，提煉出國家實驗室研究領域富化機理。具體來看：時空分別以生產要素在時間上先后相繼的縱向持續累計和再生產，以及在不同地理空間中的相對優勢及其橫向流動，約束國家實驗室研究領域在何時、何地通過培育、發展、鞏固和淘汰實現富化；多元化參與主體在發揮各自獨有作用的基礎上協力支撐國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰；手段的設施化承載主要通過設施建造、運行本身和其平臺屬性為國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰提供支撐，且設施使用呈現區域化和全球化趨勢；主要通過人、設施和信息共享平臺三類具體載體實現的累積性和交叉性知識增值，為國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰提供知識依附；政策以集成研究領域形成動力 (國家戰略和科技發展所需)和研究領域形成條件 (如資金配置)的方式作用于國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固與淘汰；培育、發展、鞏固與淘汰四種實現方式的動態組合推動了 “新陳代謝”基礎上的國家實驗室研究領域富化；國家實驗室研究領域富化不僅是結果輸出還是條件輸入，即富化結果反作用于時空、主體、手段、知識和政策相態的改變，并助力國家實驗室研究領域躍遷入新一輪更高層次的富化過程。

基于上述研究結論，可獲得以下政策建議：

(1)國家實驗室研究領域富化過程理應嵌入時空約束。一方面，富化過程是循序漸進而非一蹴而就的過程，即使通過計劃性研究領域組合也需要一定時間的融合才能真正實現富化，任何忽視時間向度的冒進舉措都不利于國家實驗室實現研究領域富化；另一方面，充分利用空間優勢 (無論地理空間還是虛擬/網絡空間)為國家實驗室研究領域富化提供有力的空間布局，如選擇生產要素聚集高地布局國家實驗室等。

(2)充分調動多元主體合力參與國家實驗室研究領域富化過程。在充分發揮政府宏觀 “掌舵”的基礎上，調動市場和社會力量合力參與國家實驗室研究領域的富化，也為切實發揮研究領域富化的科技、經濟、政治和社會等多重功效奠定基礎。

(3)著力推動國家實驗室承接重大科技基礎設施建設與運營。據此為國家實驗室聚集優秀人才、匯集前沿知識、引入和創新管理體制等提供附著載體，進而為國家實驗室研究領域富化提供優質資源基礎。

(4)建立和完善知識增值機制。研究領域的富化過程就是知識增值的過程，所以要通過完善知識流動、吸收、消化、共享和創新機制等激發知識增值效率和效益，為國家實驗室研究領域富化提供雄厚的知識支撐。

(5)創設國家實驗室研究領域評估和篩選機制。在融合全球化和區域化視角前提下，綜合科學界、產業界和政界等不同領域專家意見的基礎上，建構科學合理的國家實驗室研究領域評估和篩選體系，為國家實驗室研究領域的培育、發展、鞏固和淘汰提供決策依據，以確保國家實驗室研究領域富化過程有序、有效進行。

(6)充分發揮政策集成作用。在準確、實時吸收國家重大戰略和科學發展雙重需求的基礎上，借助政策本身具有的工具效能引導各類資源助力國家實驗室研究領域富化。

(7)推動國家實驗室研究領域富化不斷躍遷。通過實時系統性評估掌握國家實驗室的整體狀況，結合國家戰略需求和科學發展方向，不失時機地借助培育新興研究領域、發展潛在研究領域、鞏固優勢研究領域、壓縮或淘汰劣勢研究領域的組合舉措，推動國家實驗室研究領域群落打破停滯性封閉循環，躍遷入更高層次的研究領域富化過程。