基础研究与实际应用的联系

作者:科学媒介中心公众号:CRISP-SMC2018-01-12
朴晓宇 编译
当今人们出行,少不了种类繁多的打车软件,如滴滴出行、优步等等,你能够想象的到这些打车软件与19世纪的几何学,还有爱因斯坦的相对论之间有着千丝万缕的联系么?
这类基于位置移动的应用程序都依赖GPS技术,将用户与附近的可用汽车联系起来。GPS技术需要一个卫星网络,将数据从地球发出最终再传送回地球;为了让卫星能够正确地传递信息,则必须遵从爱因斯坦广义相对论中提出的重要原则,即“引力是由空间——时间弯曲的几何效应的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量”。爱因斯坦创立的广义相对论的数学源头要追溯到19世纪高斯的学生黎曼(Riemannian)提出的“黎曼几何”(用来解释空间和曲线是如何相互作用的)。但在爱因斯坦提出广义相对论之前,人们都认为“黎曼几何”是无法应用到现实世界中来的。
这个例子凸显了基础科学和学术价值的持续争论。在市场经济驱动下的当今时代,大量的税收和其他资金被用于高校、研发单位、以及其他科研设施上,然而回报呢?科学研究能否在实际应用中发挥作用、体现价值,这已然成为社会关注的焦点。
以美国为例
对于基础研究的价值存在着两种声音。支持者认为科学研究可以将获取的新知应用于实践,具有深远的意义与社会价值,因此在第二次世界大战之后建立了国家科学基金会。与此相反,反对者认为市场创新很少依赖于大学或政府实验室的工作。他们认为基础研究就像是“象牙塔”中的一种孤立的活动,在实际应用中很少有回报。

美国2013年用于科学基础研究的资金来源,政府成为投资带头人,商业、慈善捐款以及高校次之。
当一个观点逐渐成为主导,它就会对政策产生重大影响。美国联邦政府在基础研究上的支出(占GDP的比重或联邦预算的份额)在过去几十年里一直持续下降。

近40年,美国政府投入在科学研究上的资金占国内生产总值的比例停滞并下降。
专利发明与科学研究的联系
以往对这一主题的研究通常基于科学家们是否自己发表专利或创办企业,这代表着科学家与应用之间的直接联系。但这种研究是存在问题的,例如上文所述的“黎曼几何”,它不仅可以被最初的研究者应用,也可以在几百年、几千年后被任何了解它的人所应用。此外,一个探索性的发现还可能会促进其他应用的研究,这意味着其间可能存在高度间接的联系。
为了寻找其间的联系,研究人员调取了美国专利局自1976年到2015年的480万项专利和数据库中发表于二战后的3200篇期刊文章。大多数专利都是由企业提交的,代表着潜在的市场应用。大多数的研究文章都来自大学和其他研究机构。因此,这些研究不仅有助于追踪科学研究与专利发明之间的联系,也有助于追踪非营利研究机构与企业之间的知识流动。
为了找到联系,研究人员创建了一个类似于“社交网络”的关系图,它将专利与科学论文以相互引用的关系联系在一起。他们还编写了一种算法,以根据被引次数来发现任意两项之间最短的距离,从而有效地识别出给定的专利与研究论文的“科学谱系”。
科学需要走出象牙塔
科学研究与未来实际应用之间存在着非常广泛的联系。虽然有些科学论文从来没有被引用过,但在最少被引用一次的科研论文中,有80%的论文可以与未来的专利挂钩;同时,61%的专利至少引用过一篇研究论文。因此,在“科学谱系”中,科学领域的论文与专利的间接联系更多。对于数学这一类比较抽象的领域,更是如此。而像计算机这类本来应用性就强的领域,其论文与专利之间的直接联系更为明显。除此之外,通过参照专利的市场估值发现,最具影响力的专利依赖的科学论文往往也是最为前沿与重要的。
巴斯德象限
对于科学研究的浪漫主义观点认为,科学研究主要由好奇心驱动的,研究者进行一系列的科学研究是因为碰巧发现它很有趣,而不管它的实用性。因为在一些人看来,关注于应用与“真正的”科学格格不入。
然而,研究人员发现得以应用的研究更有可能对科学本身产生影响。特别是,那些被专利直接引用的研究文章往往会成为科学领域的“本垒打”,这些杰出的、极具高度引用性的论文被其他科学家所借鉴。因此,关注现实世界的问题不仅可以促进直接的应用,也可以促进新的科学,从而在对世界的理解上带来潜在的深远进步。

巴斯德象限,横坐标代表着应用度高低,纵坐标代表好奇心驱动的程度。
“巴斯德象限”以19世纪著名科学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)的名字命名,路易斯·巴斯德主要关注食品安全等实际问题,然而,在他努力试图从牛奶中去除有害细菌时,他也同时洞见了现代生物学最重要的发现之一:细菌会导致特定的疾病。“巴斯德象限”寻求对科学问题的基本理解,同时也对社会有直接的应用价值。路易斯·巴斯德这种由科学驱动的调查并能够解决现实问题的研究被认为是这类方法的例证,它弥补了“基础”和“应用”研究之间的差距。
简而言之,在科学研究中,有相当高的比例可以促进可用的实际进展。纵使大多数联系是间接的,但要相信基础研究与最终的实际应用之间存在着意想不到的巧妙联系。同时,与应用最直接相关的科学发现也对科学本身产生了意义非凡的影响。

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