基础研究：冲向人类认知边缘“无人区”的战略工具

当你在阅读本书的时候，相信你的不远处肯定有你的手机，或许，你正在使用手机阅读本书。可是，你也许想不到，小小的一部手机能够来到我们手中，背后有超过25名诺贝尔奖获得者做出的贡献：手机存储用到的巨磁阻效应（获得2007年诺贝尔物理学奖）；主板上的集成电路（获得2000年诺贝尔物理学奖）；“续命”的锂电池（获得2019年诺贝尔化学奖）；散热用的石墨烯（获得2010年诺贝尔物理学奖）；发光与显示用到的导体聚合物（获得2000年诺贝尔化学奖）、半导体成像器件（获得2009年诺贝尔物理学奖）、蓝色发光二极管（获得2014年诺贝尔物理学奖）；外壳所用的高分子材料（先后获得1953年、1963年、1974年、2000年诺贝尔化学奖）……这些成果都属于基础研究的范畴。基础研究，堪称人类认知的“前沿”，是探索人类发展“无人区”的战略工具。

跨越“象限”：从“玻尔”到“巴斯德”

开篇提到的诺贝尔奖，是从1900年开始授予的。美国、英国、德国、法国、日本等是获得诺贝尔奖最多的国家。其中，又以美国为最。20世纪40年代，美国开始大量获得诺贝尔奖。从那个时候开始，美国获得的科学类诺贝尔奖所占比例从未低于49%，并在20世纪90年代达到了约72%的巅峰，获得了60项奖项中的43项。这充分表明了美国是一个注重科学研究的“超级大国”。

从罗兰到布什，美国从思想重视科学研究到实现自立自强。

从1883年罗兰呼吁美国人应该重视“纯科学”到布什的《科学：无尽的前沿》，美国将支持科学研究作为重要的战略方针。

据说，布什在考虑题目的时候，想到了胡佛总统的一本书。1922年，胡佛在还是哈定总统内阁商业部部长时写了一本书。在书中，他把科学比拟为“一片广阔的大陆”，并且说“只有先去者才会穿越边界进入想要占领的世界”。在舍弃了“科学：永恒的边疆”这个题目之后，布什最后把报告题目定为“科学：无尽的前沿”。

二战期间，美国的基础科学研究在很大程度上依赖于欧洲科学家。战后，美国政府认识到，科学技术发展要摆脱对欧洲的依赖。布什向政府呼吁：“我们不能再指望以被二战蹂躏的欧洲作为基础知识的来源。过去，我们致力于应用国外发现的基础知识。未来，我们必须更加专注于自己发现基础知识，因为未来的科学应用将比以往任何时候都更依赖于基础知识。”

在第一颗人造卫星升空之后的10年内，美国联邦政府对大学的研究资助经通货膨胀因素调整后增长了4倍多；在能授予博士学位的大学里，学术研究人员从2.5万人增加到4.6万人；全国2734所学院和大学中，90%以上获得了一定程度的联邦财政支持。

科研到产业并非“单行道”，科学研究从“一维”向“二维”升维，“巴斯德象限”崛起。

布什在报告中提出的政策思想被认为是典型的“线性范式”，这种“一维”“单行道”的模式存在着严重的“瑕疵”，带来了令人意外的后果。

其一，布什忽视了产业界的创新，似乎认为只需要投入，然后静等产出。正如有人指出的那样：“布什的报告隐含的信息，似乎是技术基本上就是采用最新的科学，如果国家主义在大学里面建立并且维持第一流的科学单位，有关国家安全、经济增长、就业和社会福利的所有新技术就会近乎自动地产生出来。”

其二，“布什方案”给予了科学家充分的自由，甚至使科学家与公众隔离开来。与布什在国会就成立科研机构进行辩论的对手基尔戈尔则建议成立一个作为“人民公仆”的科学家研究机构，科学家应该肩负传播科学、向公众解释自己的科研成果的科研责任。现在，不少人在评价“布什方案”的时候都指出了这一缺憾。

其三，在联邦科研支出大幅增加的同时，是少数地区、少数大学拿到了大量经费，由于和大多数人都没有直接关系，进而造成了公众对科研支出的漠视。美国政府大量增加的研究经费，主要的受益者就是东海岸的麻省理工学院和西海岸的斯坦福大学，麻省理工学院是“战时研究合同的最大接单者”。2015年，按地区分配，美国联邦政府的研发支出，25%到了马里兰州和新墨西哥州，亚拉巴马州、马里兰州、马塞诸塞州、新墨西哥州和弗吉尼亚州这五个州超过了5%，而排名最后十位的州，加在一起不过4.4%。这种现象大概从1975年以来就如此。

冷战后，“布什方案”的局限性更加明显。此时，日本的崛起受到广泛关注，弗里曼等人提出了国家创新系统，“创新2.0”范式已经推开。这就需要用新视角、新方法来看待并推进科学研究了。

1997年，普林斯顿大学教授斯托克斯发表遗作—《基础科学与技术创新：巴斯德象限》，对科学研究的分类提出了新的思路和方法，即根据求知和应用两个维度形成一个笛卡尔象限，如图1所示。

图1 笛卡尔象限

第二象限，主要是纯基础研究，以探求知识为主，被称为“玻尔象限”，正如理论物理学那样，不考虑实际应用。这一象限也可以看作经典的“布什方案”中的基础研究。

布什在报告中就指出了基础研究的特点：“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及其规律的理解。尽管无法对任何一个问题给出完整具体的答案，但这种一般性知识提供了解答大量重要实际问题的方法。应用研究的功能就是提供这样完整的答案。从事基础研究的科学家可能对其工作的实际应用完全不感兴趣，但是如果基础科学研究长期遭到忽视，工业研发的进展也终将陷于停滞。”

第三象限，主要是探索性研究，即由好奇心驱使的、系统性探索特殊现象的一类研究。这是一个不稳定的研究象限，它可能会发展为玻尔象限，也可能成为爱迪生象限。这一象限被称为“皮特森象限”。

第四象限，主要是纯应用研究，以解决实际问题为主，被称为“爱迪生象限”，正如爱迪生围绕解决实际问题进行了大量的发明创造，即布什提到的对任何一个问题“给出完整具体的答案”。

在讨论第一象限“巴斯德象限”之前，我们先来了解巴斯德是谁，以及他的科研方式有什么特点。

巴斯德，法国微生物学家、化学家，近代微生物学的奠基人。他发现了酵母菌、乳酸菌，创立的“巴氏消毒法”至今还惠及众人。“巴氏消毒法”的由来就属于典型的巴斯德象限中以应用为导向的基础研究范畴。

在巴斯德生活的那个时代，法国的啤酒（一说是红酒）很有名气，但酒商经常发现酒会变酸。1865年，有人找到巴斯德，希望他能解决这一难题。巴斯德经过研究，发现变酸的酒中有一种长杆状的乳酸杆菌。为了杀灭乳酸杆菌，且不破坏酒的风味，巴斯德经过反复实验找到了一种方法，将温度提高至50～60℃保持半小时，然后急速冷却到4℃左右，这样就可以极大地延长酒的保质期。这种方法就是利用病原体对温度的不耐受来实现灭菌的—在一定温度范围内，温度越高，细菌繁殖越快，但达到一定温度后，细菌反而会死掉。不同的细菌有不同的耐受温度。

巴斯德的研究是实际问题引起的，通过研究，巴斯德找到了问题的原因，然后，他针对原因找出解决办法，从而完美解决问题。这中间既包含了基础研究，又包含了应用研究。我们可以将这一过程分为3个主要步骤，如图2所示。

图2　巴斯德解决巴斯德象限问题的“三部曲”

这就是巴斯德象限的由来。这种应用导向的基础研究成了基础研究和应用研究之间的“桥梁”。巴斯德象限对“布什方案”的修改如图3所示。

巴斯德象限提示人们，科学研究本质上是回应人类需求的一种智力层面的活动。要想实现科学上的突破，除了要鼓励和支持科学家去自由探索，更要鼓励和支持科学家面向实际问题，运用科学思想、方法和知识，在找到“完整具体的答案”的过程中，实现重大突破。

要让科学研究促进技术创新，有赖于政府提供充分的公共产品，包括财政支持（“硬”的方面）、技术预见（“软”的方面）等。

由于科学研究具有较强的“溢出效应”，经验表明，政府对科学研究的财政支持，不仅能够起到重要的示范引领作用，而且因为资金的公共性质，还能促进科研成果更好地为社会所共享和吸纳。

在美国，1980年“拜杜法案”颁布之后，高校院所的科研成果能够更方便地进行转移转化，从而使得财政资金的杠杆效应、公共研发的溢出效应更加凸显。2010—2016年，对于美国食品药品监督管理局批准的210种新药，国立卫生研究院都予以了资助。麻省理工学院的研究人员根据数据估计，每1000万美元的研发投入，将会产生2.7项企业专利。国立卫生研究院每投入1000万美元，增加的专利将为证券市场上的企业带来3020万美元的价值。大学每增加28 000美元的研发投入，就会增加一个就业岗位。每增加一项大学专利，就会新增15个就业岗位。大学研发投入每增加一倍，大学所在区域的就业率就会提高1%。

在新西兰，政府研发投入每增加2.9万美元，可以增加一个就业岗位。在芬兰，每

增加8100美元研发投入，就会增加一个就业岗位。在欧洲，每增加2100美元的国防研发投入，就可以增加一个就业岗位。而在“大萧条”时期，创造一个岗位的成本大约为5万美元。

政府除了提供财政支持以外，还可以提供更多的公共产品，技术预见就是其中之一。

探索“无人区”，并不是盲目乱撞，也不仅仅是鼓励和支持众多科学家自行其是。从20世纪四五十年代以来，以美国为代表的发达国家和地区以及新兴经济体，运用技术预见助力前瞻布局。

“先头部队”已经进入“无人区”

2018年10月，中央电视台播放了一段公益广告《基础研究与基础教育》。广告中说，“每一次产业革命，都是基础研究的厚积薄发”，“只有长期重视基础研究，才有工业的强大，只有长期重视基础教育，才有产业振兴的人才土壤”。投放该广告的是华为。

2018年9月，阿里巴巴召开了云栖大会。会上，阿里巴巴宣布于2017年10月成立的达摩院——一家致力于探索科技未知，以人类愿景为驱动力的，立足于基础科学、创新性技术和应用技术的研究院，经过一年的建设，拥有了300多名研究人员。

2018年10月24日凌晨，知乎上认证信息为“腾讯公司董事会主席兼首席执行官”的ponyma，也就是马化腾，提出了这样的问题：“未来10年哪些基础科学突破会影响互联网科技产业？产业互联网和消费互联网融合创新，会带来哪些改变？”

华为、阿里巴巴、腾讯，是今天中国知名企业的代表。

多家中国领军企业都不约而同地开始关注基础研究，一下子，曾经“养在深闺人未知”的基础研究成了一个热点。

实际上，在2016年全国科技创新大会上，任正非在报告中就提出：华为已经进入“无人区”。探索这个“无人区”的关键抓手就是基础研究和应用研究。

从“863计划”“973计划”到重大专项，再到5类科技计划，中国对科学研究的支持和运作方式持续升级。

1986年3月3日，王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允4位科学家向国家提出要跟踪世界先进水平，发展中国高技术的建议。随后，国务院批准了“国家高技术研究发展计划”（“863计划”）。当时的背景是，美国在1983年启动了“星球大战计划”，苏联和东欧国家针锋相对地提出了“科技进步综合纲要”，西欧17国联合发起了“尤里卡计划”，日本提出了“科技振兴基本国策”。一时间，高科技领域风起云涌。

当问起需要多少经费时，在沉默了许久后，王淦昌才艰难地说了一句：“能省就省吧。我看，一年能给2个亿就行。”2亿元用来发展高科技，显然是不够的，不过，考虑到当时的国民经济状况，这也算不少了。然而，党和国家没有丝毫迟疑，马上采取建议，批准了100亿元专款，这相当于当年全国财政总支出的1/20！

就这样，“863计划”起步了，一直到2016年，国家重点研发计划出台，“863计划”才结束了历史使命。“863计划”传承了“两弹一星”的成功之道：在共同的国家目标下联合多家单位一起做事，学术民主、建设纠错机制，注重基础研究、学科建设和人才培养，等等。在“863计划”之后，中国又实施了一系列相关科技计划。1988年，实施“火炬计划”，该计划定位于将高新技术成果进行商品化和产业化。1997年6月，决定制定“国家重点基础研究发展规划”并组织实施“基础研究重大项目计划”（“973计划”）。2006年，部署实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，安排了16项重大专项。在某种程度上，“863计划”堪称“中国科技赛跑的起点”。

1986年、1997年、2006年、2020年中国与美国和日本的经济水平比较如表1所示。

表1、1986年、1997年、2006年、2020年中国与美国和日本的经济水平比较

可以看出，从“863计划”到重大专项，中国从未放弃对科学前沿和高技术的跟踪和投入。

2014年，根据国家科技计划体制改革部署，科技计划被重新分置为五大体系：国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划、技术创新引导专项（基金）、基地和人才专项。五大体系各司其职，分工协同推进。

中国对科学研究的支持规模不断扩大，方式不断优化。

一是解放科技生产力的制度不断推陈出新。诸如“课题制”的设计，类似科技领域的“小岗村”，极大地解放了科研人员的生产力，后来又强化法人责任，厘清了单位与项目组之间的关系。

二是央地、地地科技联动。地方作为一个整体，财政科技支出规模逐步扩大，并超过了中央财政科技支出规模，各地间形成了较为良性的“科技竞赛”，出现了央地联动、区域联合支持科技发展的局面。

三是过程管理和绩效评价不断优化。几十年来，科研经费使用出现了一些问题，既有不合理规定导致的，也有科研诚信制度不健全诱发的。近年来，通过不断优化，逐步形成了一整套与国际接轨、科学合理、高效公平的科研管理制度。当然，改革只有进行时，没有完成时，对于促进科研发展的制度创新，依然需要继续根据形势变化不断优化调整。

四是企业成为研发和创新主体。过去几十年间，中国企业对研发和创新的投入持续增加，当然，主要还是投入试验发展阶段，不过，越来越多的头部企业开始关注并支持基础研究和应用研究。

功夫不负有心人。基础研究开始结出累累硕果。

可以看出，从“863计划”到今天，不到40年的时间里，中国科研从跟踪、跟跑，到现在已经开始在若干方向、若干领域有所突破了。

求答“钱学森之问”，荟萃灿若星河的拔尖人才

2010年10月30日，首届“创新中国论坛”在京召开，主题为“求答钱学森之问：中国如何培养创新人才”，论坛主席、诺贝尔物理学奖获得者李政道做了主旨报告。李政道结合自己和钱学森的求学和科研历程，提出:“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”

李政道重视的“钱学森之问”源于发生在2005年7月29日的一段对话。时任国务院总理的温家宝在北京看望94岁的钱学森,温家宝介绍了正在制定的中长期科技规划并采取自主创新方针的情况。钱学森说了一段话，其中几句话被演绎为“钱学森之问”:“现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新的东西，老是‘冒’不出杰出人才。这是很大的问题。”

钱学森的这段话被演绎为“钱学森之问”是在他逝世后的2009年11月11日，安徽高校的11位教授在联名发表的一封公开信中提道：“钱学森走了，又一颗巨星陨落了。我们深切缅怀钱老，缅怀他的科学精神和崇高人格，还有他的那句振聋发聩的疑问—‘为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？’”

结合钱学森的一些文章，可以认为，“钱学森之问”的基本逻辑是：之所以没有做出“独特的创新”，是因为没有“杰出人才”；没有“杰出人才”，是因为没有“科学的办学模式”。什么是“科学的办学模式”？李政道的回答是：能够引发提问的教育模式，“一对一”的师生问答模式。“大师树”上真的能“结出”大师。

求答“钱学森之问”，要加快建设教育强国和人才强国。党的二十大报告指出：加快建设国家战略人才力量，努力培养造就更多大师、战略科学家、一流科技领军人才和创新团队、青年科技人才、卓越工程师、大国工匠、高技能人才。

集聚培育战略科技人才需要遵循相关规律。

战略科技人才是那些能够做出引领一个时代的重大开创性成果的顶尖人才。在给定时段内，战略科技人才的总量是相对固定的。因此，集聚培育一定数量的战略科技人才，既是大国崛起的必要条件，更是保持竞争优势的关键所在。

一是集中扎堆-多维扩散。战略科技人才的集聚培育和发展往往呈现出“顶尖人才、鼎盛时期、巅峰对决”的情况，即在科研和创业前沿的创新浪潮来临之际，最聪明的头脑会聚在一起，共同发力，突破重大瓶颈。之后，当创新浪潮向周边扩散时，这些顶尖人才往往会像“蒲公英”一样各自“领军”一方，使创新成果实现最大规模的扩散。

20世纪30年代，美国成立普林斯顿大学高等研究院，集聚了冯·诺依曼、哥德尔、爱因斯坦等一大批顶尖人才，他们在对至今仍有着深远影响的电子信息、人工智能、原子弹与核能等领域做出了超越时代的开创性贡献。

二是文化-科技融合创新。形成让全球一流人才向往的开放包容、思想解放、信息充沛、交流便捷的创新文化，是战略科技人才集聚和发展的一个先决条件。而科技创新的创意源自全球化背景下对本国生活方式和文化样式的深刻体验与精准把握。

三是人才-机构互动激励。集聚发展战略科技人才，需要围绕人类面临的重大问题、面向国家创新发展的重大任务，做出影响未来数十年的重大突破性成果；需要把握世界人才流动变化的特殊机遇，组建新型的特殊机构、构建前所未有的特殊机制。简言之，打造一流机制，吸引一流人才，造就一流机构，成就一时人物。

要从多维度加快集聚培育战略科技人才。

集聚培育战略科技人才，既要以特殊政策从世界各地引进战略科技人才，更要注重形成长效机制，促使战略科技人才持续涌现。

其一，涵养战略科技人才要有“广度”，建构坚实的人才队伍基石。没有足够数量的科技人才队伍，就很难持续涌现出顶尖的战略科技人才。创新人才工作思路，树立人人都渴望成才的理念，营造人人努力成才的氛围，建构人人皆可成才的机制，形成人人尽展其才的环境。形成“创新不问出身，英雄不论出处”的社会氛围，强化敢为先、重实绩的人才评价价值导向，使各种人才都能崭露头角。最大限度地提高全民族受教育水平，最大限度地普及科技知识与科学精神，最大限度地提升全体国民的网络应用技能，使我国从人口大国迈向人力资源强国。

其二，培育战略科技人才要有“气度”，打造世界一流的育才体系。树立追求世界一流的宏大志向，打造世界一流的教育体系。建设世界一流的科研机构，构建以优秀的战略科技人才为核心的“传帮带”体系，形成战略科技人才队伍培育梯队。以关切人类前途命运、服务国家重大战略、破解科学重大难题等为目标，设立重大科技工程，促使战略科技人才在破解重大难题中成才成长并成就一番伟业。

其三，集聚战略科技人才要有“丰度”，形成热带雨林型创新生态。“单木不成林”，战略科技人才需要一个营养充足、包容开放的创新生态环境。一是开放包容揽人才。建设全球战略科技人才库，形成全球一流人才、团队、机构的动态跟踪清单，作为集聚引进和对标培育人才的重要依据。扩大教育与科研开放，深入探索国际化教育与科研机构运作方式，连接世界上最优质的教育与科研资源，吸引世界范围内最优秀的青年来华求学受教与从事科研创新工作，从70亿人口中赢得拔尖人才红利。二是思想解放引人才。引进战略科技人才往往需要实施“带泥土的移植”，即同时引进人才及其团队，并给予高强度的投入、高丰度的资源、高自由度的机制，以“一人一策”的个性化政策为人才提供最适宜的科研环境。三是多方融合聚人才。促进多学科交叉、多门类汇聚、多主体对接，打造世界级前沿交流平台和机制，形成战略科技人才之间交流切磋、批评纠错、互动共进的优良科研生态。

其四，激励战略科技人才要有“精度”，探索最宜创新的体制机制。一是瞄准前沿给动力。放手让战略科技人才牵头重大科学前沿问题和重大专项工程的选题、组织、实施与应用转化。给予战略科技人才充足的国内外交流便利。结合国家和地方科学设施建设，给予战略科技人才使用大科学装置和仪器设备的充分自由。二是充分赋权激活力。赋予战略科技人才及其团队充足的技术路线决策权、经费支配权和资源调动权，全面破除各种制约创新的制度障碍。三是完善保障续耐力。改革投入和评价制度，给予战略科技人才及其团队“十年磨一剑”的“耐心资本”和宽松氛围，给予战略科技人才及其团队最大限度的生活便利。

其五，成就战略科技人才要有“高度”，促成现引领未来的重大成果。战略科技人才是在做出重大科技原创贡献中实现其自身价值的。一是关乎人类未来定方向。要立意高远地促进战略科技人才确立重大战略主题，揭示新现象、探求新领域、形成新理论、创造新工具，以重大科技原创成果带来的新世界观、新价值观赋予人们前所未有的想象和实践新空间。二是颠覆已有范式闯新路。树立创新自信，鼓励和支持战略科技人才探索“敢为世界先”的原创性议题、创意和研究路线，包容和支持非共识项目。三是带动多维领域促发展。鼓励和支持战略科技人才孜孜以求地持续开展研究与产业化工作，并将这些开创性成果扩散、应用到相关领域，在科学、技术、产业和社会诸多方面促进广泛变革，实现社会生产力水平的极大提升。同时，要促进形成人才发现人才、人才带动人才、人才激励人才的战略科技人才持续涌现的生动局面，为世界科技强国建设源源不断地注入强大智力动能。

“科幻小说之父”凡尔纳曾说：“但凡人能想象到的事物，必定有人能将它实现。”作为“第一资源”，人才能够将科研投入转化为“第一生产力”。未来10～30年，中国将会在越来越多的领域进入“无人区”，需要实施更大胆的探索，增强科技创新策源能力，努力成为当代和未来世界范围内最具“创想力”的国家。

本文由《东方破晓——世界科技强国的新格局》第十章缩写。李万，上海科学院科技发展部部长、研究员。文章观点不代表主办机构立场。

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