国家实验室研究领域富化机理研究——以劳伦斯伯克利国家实验室为例

聂继凯

(扬州大学商学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

作为国家战略科技力量引领者的国家实验室，因在支撑国家战略目标实现、提升科技创新能力、推动国民经济发展、增益社会发展福祉等各方面发挥重要作用而备受各国青睐[1]。 “十四五”规划明确提出加快构建以国家实验室为引领的战略科技力量，并着力在量子信息等重大创新领域组建一批国家实验室的战略布局，这不仅回答了要不要继续探索建设国家实验室的问题，更进一步将建设国家实验室提升至战略引领层面，所以怎样建设国家实验室成为当前急需破解的问题。在一系列解构与细分的重要问题中，国家实验室研究领域生态群落何以形成被国内外国家实验室实践探索轻视甚至忽视。然而，国内外国家实验室实践探索经验或教训一再证明，国家实验室建设、运营与发展成功与否的关键之一便是国家实验室是否富化出较好的研究领域生态群落[2]，进而解析国家实验室研究领域富化机理便成为国家实验室建设实践中急需破解的问题。

面对实践急需，已有文献研究主要聚焦以下方面：一是国家实验室实践探索经验研究。例如，卡文迪什实验室在选择研究方向和遴选人才[3]，劳伦斯伯克利国家实验室在科技决策以及埃姆斯国家实验室在推进自身网络化发展等方面的系列实践探索经验[4-5]。二是国家实验室的定义、分类、功能等研究。例如，曾卫明等[6]认为国家实验室是以国家重大战略需求为导向，以国家重大基础研究、战略高技术和系统集成技术研究为重点，引领国民经济相关行业技术领域整体突破，实现多学科交叉与融合的国际一流综合型国家研究实验基地；Crow等[7]以 “政府影响”和 “市场影响”程度二维向量及其各自的三级影响程度，将国家实验室分为九种类型；Mishra 等[8]借助数据统计后发现，国家实验室显著作用于国家的科技研发与创新。三是国家实验室运行机制研究。例如，Jordan等[9]、Tran等[10]、危怀安等[11]和寇明婷等[12]分别对国家实验室的评估机制、技术转移机制、人才选择与作用机制、经费配置与管理机制的分析。四是国家实验室管理模式研究。例如，周寄中等[13]认为GOCO 模式利于国家实验室减少政府干预、盘活社会资源、引入先进管理等；黄继红等[14]梳理了英、德、法三国的国家级实验室运行经验后归纳出GOCO、GOGO和COCO三种管理模式。五是国家实验室运行影响因素研究。例如，Jordan等[9]、Heinze等[15]认为先进设备与仪器、外部合作与交流、资助与研究主旨连续性、果断且灵通的高层管理等因素均对国家实验室运行产生显著影响。尽管已有研究成果丰硕，但尚未触及国家实验室研究领域富化机理研究。

国家实验室研究领域富化机理研究既利于拓展已有研究脉络，还可以为实践探索提供相应参考，具有重要的理论和实践意义。 “富化”引自生物或生命科学，原指某种物质或不同物质量、质或种类的提升和增加过程、状态[16-17]，这一含义能够恰当表达国家实验室研究领域的增加过程和状态，由此进一步精准概念化国家实验室研究领域富化是指国家实验室研究领域由单一结构向多元生态群落生成的过程及其状态。2019年美国能源部 (DOE)以24个研究领域是否具备核心竞争力为评估框架，评估了科学办公室下辖的10个国家实验室，其中劳伦斯伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)以23个研究领域具备核心竞争力的评估结果与橡树岭国家实验室并列评估榜首，其研究领域生态群落占优态势可见一斑，而其发展起点仅为一个由劳伦斯等五人始创的小型核物理研究实验室。历经90年的发展，LBNL实现了研究领域从结构较为单一向高质量生态群落的富化演变，为探究国家实验室研究领域富化机理提供了绝佳的案例支撑。

1 国家实验室研究领域的富化历程

可持续运行良好的国家实验室研究领域总体上呈现由少到多并形成生态群落的富化历程，这在LBNL研究领域中表现明显，如表1所示。首先，研究领域由少到多趋势明显，即由最初的四个主要研究领域富化至目前的20个主要研究领域。其次，研究领域形成生态群落，包括基于各研究领域间紧密互动关系形成的生态群落，如在物理学、化学、加速器科学与技术、工程学等研究领域互动、整合基础上形成的核科学研究领域生态群落；基于各研究领域内部衍生细分研究领域形成的生态群落，如基于加速器科学与技术内部衍生回旋加速器、直线加速器、同步加速器、材料测试加速器、质子加速器等细分研究领域而形成的生态群落；研究领域生态群落具有时间向量上的历时动态调整性——从1946年至1969年围绕核科学研究形成了核科学研究群落；1970年至1989年，能源科学与技术、环境科学与技术、材料科学三大研究领域迎头赶上，呈现与核科学 “四分天下”的形势；1990年至今，总体上呈现能源科学与技术、环境科学与技术、材料科学研究实力反超核科学，占据核心区位，计算科学、计算机科学迅猛发展，走向中心区位，核科学退居相对边缘区位的局面。

表1 LBNL研究领域的富化历程

2 国家实验室研究领域富化机理的构成及其作用过程

梳理LBNL的90年研究领域演化史，提炼出如图1所示的国家实验室研究领域富化机理：在时空约束生产要素的前提下，多元化协同参与主体借助相应设施化承载手段，融合持续增值知识，附加政策集成作用，通过培育、发展、巩固和淘汰研究领域推动国家实验室研究领域日趋富化，且富化结果反作用于时空、主体、手段、知识和政策质态的改变，助力国家实验室研究领域跃迁入下一轮更高层次的富化过程。

图1 国家实验室研究领域富化机理框架

2.1 生产要素的时空约束

时间以前后相继的纵向持续累计和再生产影响生产要素的数量、质量及其结构，并据此作用于国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰。例如，20世纪30年代LBNL形成的五个研究领域即源于在这之前相关知识、人才、资金等生产要素的长期积累，之后包括在LBNL长期核试验运算和防辐射研究中累积和再生产相关知识、设施、人才等要素基础上形成的计算科学研究领域和材料科学研究领域，紧随LBNL各类加速器持续建造和运行而始终保持高水平研究能力的加速器科学和技术研究领域，以及紧随核科学进入核聚变研究时代后LBNL重新调整生产要素布局，实现了 “核裂变研究领域收缩-核聚变研究领域发展”的研究领域变迁等。

空间以生产要素在不同地理环境中的相对优势，及其横向流动作用于国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰。例如，LBNL核科学研究领域在20世纪30年代至60年代迅速形成并发展的原因包括：美国通过本土培养和外部引进等方式，积累起当时全球来看较为富集的核科学专业人才储备[18]；美国第二次工业革命为LBNL核科学发展所需的各类科研仪器设备制造提供了条件；随着当时美国政治由 “自由放任主义的杰弗逊传统”向 “强有力的政府管理的汉密尔顿传统”转变[19]，政府职能扩展至科技创新领域，为政府以庞大政府预算支持LBNL核科学发展提供了条件；LBNL所处的加利福尼亚州坐拥加州大学伯克利分校、加州理工学院和斯坦福大学，这些高校正是美国当时培养核科学人才的核心力量。20世纪70年代 LBNL核科学研究领域开始实施压缩研究范围基础上的巩固策略，原因之一在于美国形成了橡树岭国家实验室、洛斯阿拉莫国家实验室、阿贡国家实验室等一批从事核科学研究的一流科研机构，这使得生产要素流向趋向空间分散化，终使LBNL当初核科学研究一家独大所依托的独占性资源供给格局不复存在。

2.2 多元化主体协同参与

政府、高校、科研院所、企业等多元主体合力作用于国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰，一方面体现为某一主体内部多层次间参加，例如LBNL加速器的建造、升级不仅依靠联邦政府，还有加州政府的鼎力支持；另一方面体现为不同主体间的通力合作，例如LBNL加速器的建造、升级还吸引了联邦电报公司等工业公司、加州大学等高校、普林斯顿等离子体物理实验室等科研机构、洛克菲勒基金会等非政府组织主体的广泛参与。此外，20世纪70年代LNBL核科学研究领域收缩的重要原因在于，多元化参与主体尤其是政府开始降低对核研究领域的投入力度，转而加大对能源、环境、材料等研究领域的支持。

具体到微观执行主体，如表2所示，同时结合表1可得，以国家实验室主任为代表的科学家研究专长和偏好，显著影响国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰。例如，Lawrence对核科学的偏好使其在任职前期着力累积核科学研究领域形成所需的各类资源；Sessler在能源与环境科学方面的研究专长促进了LBNL环境与能源科技研究领域在其任职期间正式形成，并得以快速发展，同时因其向能源、环境、材料等研究领域的倾斜性资源投放，使得核科学研究领域不得不因资源相对短缺而淘汰电磁型同位素分离器等细分研究领域；六任实验室主任的物理学研究背景使得LBNL在物理学、核科学、加速器科学等传统研究领域内的优势地位难以撼动。

表2 实验室主任研究专长或个人偏好与实验室研究领域的发展

多元参与主体间形成了以政府为中心的协同参与网络，即政府联合其他参与主体，通过实验室主任借助资源引导投放的方式作用于国家实验室研究领域的整体布局，这种传导机制一般通过政府掌控的绝对占优资助资金实现。例如，2020年LBNL约10亿美元的经费预算中能源部直接资助金额占比79.76%，且能源部在实验室五个研究领域中的投入配置引导了所有资助主体的整体性资金投入结构与走向 (见表3)。

表3 LBNL五个研究领域的资金占比

2.3 手段的设施化承载

培育、发展、巩固与淘汰国家实验室研究领域的手段多种多样，但依托重大科技基础设施是其中最为直接和重要的一种。例如，LBNL先进光源、分子铸造、能源科学网络 (ESnet)、联合基因研究所和国家能源研究科学计算研究中心五个国家级重大科技基础用户设施及其一系列其他层级的科研仪器设备，为实验室二十多个核心研究领域的形成与发展奠定了基础。同时，一些研究领域的淘汰则源于相关设施的退役或缺乏，如由于核反应堆没有建造而致使LBNL核反应堆研究领域难以持续发展。

重大科技基础设施作为国家实验室研究领域富化核心手段，主要通过设施建造、运营本身和其平台属性发挥作用。例如，从LBNL建立之初的11英寸回旋加速器，历经多尺寸 (11英寸、60英寸、88英寸等)和多类型 (回旋加速器、直线加速器、同步加速器、质子加速器、重离子加速器等)加速器升级、改造、退役的 “新陈代谢”，直至发展到目前的先进光源，持续推动了实验室加速器科学与技术研究领域的高水平发展；同时，作为一种科研平台，加速器不同程度地助力于LBNL各研究领域的形成与发展，包括LBNL材料科学最先发轫于依托加速器设施进行的核材料和防辐射材料研发，基因组学始发于依托加速器开展的医学和生物学研究，计算机科学源于对加速器科研数据的分析和处理等。

目前设施化承载不再局限于国家实验室拥有产权的重大科技基础设施，而是一切可以使用的相关设施，即区域化和全球化设施使用支撑下的研究领域富化成为当下国家实验室发展的新常态。例如，LBNL与费米国家实验室等多个研究机构组成费米对撞探测器研究小组以寻找顶夸克，这进一步推动了LBNL高能物理研究领域的发展；与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室组成联合基因组研究所，致力于人类基因组测序，助力LBNL生命科学研究领域进步；联合五所国家实验室、两所高校组建联合生物能源研究所，致力于新兴生物能源研究，提升了LBNL生物科学和能源科学与技术研究领域的研究实力。

2.4 知识的增值供给

从知识角度看国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰，即为知识增值的始发增值、快速增值、高位徘徊和负增值，具体表征为表4中各研究领域发文量排位名次的变化。此外，表4还揭示出知识增值主要通过累积性和交叉性知识增值两种方式实现，前者表现为同一研究领域内知识持续自我累积诱发知识再生产，如物理学等研究领域内的知识再生产；后者表现为不同研究领域或不同学科间知识互动诱发知识再生产，如源于生物学与化学交叉研究的生物化学知识再生产。同时，某研究领域内的知识增值状态若长期处于负增长，则此研究领域将趋于萎缩甚至被淘汰，如药理学等研究领域。

无论是累积性还是交叉性知识增值主要通过人、设施和信息共享平台三类载体实现，人才累积和流动为知识增值提供人力资本。如表2所示实验室主任直接影响LBNL相关研究领域的知识增值，既作为知识生产来源又作为知识生产平台的科技基础设施直接推动知识增值的发生。例如，LBNL各类加速器既推动了加速器知识，也推动了以此为依托的核科学等各类衍生性知识的生产与积累；以实验数据库、文献数据库等为代表的各类信息共享平台促进了各类知识的有效积累、流动、交叉、融合和再创新，LBNL的ESnet目前已覆盖美国全境，并延伸至英国、法国、德国、俄罗斯、中国、日本、欧洲核子研究中心等16个国家、地区或国际组织，为LBNL能源科技知识再生产提供了全球性知识支撑。

2.5 政策的集成作用

政策以集成研究领域形成动力 (国家战略和科技发展所需)和研究领域形成条件的方式作用于国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰，形成了 “国家战略与科技发展趋势-政策-资源”的政策集成作用逻辑。其中，国家战略动力表现为国家战略需求的引领，科技发展动力表现为科技本身产生、发展规律的自我驱动，政策表现为各类法令条规与计划等，形成条件突出表现为资助资金的有序供给。例如，随着环境污染问题日益突出，解决环境安全问题在20世纪70年代上升为美国国家战略，与此同时核辐射控制、污染整治等环境治理科学与技术形成初步研究基础，但急需走向纵深，在此背景下政府通过出台 《国家环境政策法》 《清洁水法案》 《濒临灭绝物种法案》等将国家战略与科技发展需求吸收入政策，并借助这些政策在成立环境保护局等各种专门组织的同时大力引导资助资金流向环境研发领域，以推动环境问题的解决，20世纪70年代LBNL环境研究领域的迅速崛起及发展即得益于此，其完整的政策集成作用逻辑如图2所示。

政策引导下的资金配置对国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰影响较为直接。2004年能源部科学办公室公布了未来20年的科学研究计划，包括七个短期 (国际热核反应堆项目、核聚变科学实验、通过先进的科学计算推进科学发现、纳米科学用于新材料和新工艺、微生物基因组学、以物理学探索创造的基本力量、探索新形式的核物质、为未来的科学发展研发新仪器设备)和七个长期 (能源科学、能源和环境生物学、核聚变能源、物质和时间基础研究、从夸克到恒星的核物理研究、科学计算、建立新科学资源基础)科学研究重点或目标。受其影响，2001—2020年LBNL与之契合研究领域的资金资助变化如表5所示。结合表1、表4可以发现，LBNL研究领域富化显著体现出 “政策引导资金配置进而作用于研究领域富化”的逻辑；同时，一些收到资助较少 (如力学研究领域等)或通过市场途径即可解决的技术研发领域 (如医疗诊断领域等)则逐步被压缩甚至被淘汰。

表5 2001—2020年LBNL重点研究领域资金配置情况 (单位：千美元)

2.6 方式组合与富化跃迁

国家实验室研究领域富化主要通过培育、发展、巩固和淘汰四种方式实现，其中，培育着重新研究领域的孕育，即在充分调动与整合前述空间、主体、手段、知识和政策等生产要素的基础上培育国家实验室新研究领域。表1和表4中各类新增研究领域的孕育均基于已有生产要素基础上的整合和推进；发展侧重聚集生产要素推动研究领域形成，表现为各类新增研究领域的正式出现；巩固侧重传统优势研究领域的维持与增进，或通过领域内的自我累进发展，或通过向领域内注入新发展要素，如LBNL加速器科技研究领域内多类型加速器分支研究领域的形成，物理学研究领域内普通物理学、实验物理学、高能物理学和理论物理学的持续扩容等；淘汰注重对劣势或已无发展前景研究领域的压缩或剥离，实现有限资源尽快转移至优势或新兴研究领域，如LBNL自20世纪70年代开始相对压缩核科学研究领域，并致力于环境与能源研究领域的培育与发展。总之，正是通过培育、发展、巩固与淘汰四种方式的动态组合，实现了 “新陈代谢”基础上的国家实验室研究领域富化——培育利于研究领域的持续拓展，发展利于研究领域的不断壮大，巩固利于研究领域的稳定存续，淘汰利于研究领域的减负前行。

时空、主体、手段、知识和政策通过各自作用机理并历经培育、发展、巩固和淘汰四种实现方式，推动了国家实验室研究领域的富化，然而富化不仅是一种结果，也是新一轮研究领域富化过程的条件输入，即富化结果反作用于时空、主体、手段、知识和政策相态的改变，进而助力国家实验室研究领域跃迁入新一轮更高层次的富化过程。表1和表4均显著表征了国家实验室研究领域的螺旋式上升富化模式，而非滞留在某一层次上的封闭式简单循环。例如，基于物理学、化学、加速器科学与技术、工程学基础上形成的核科学，之后其又成为实验室后续能源与环境科学、材料科学等新增研究领域的形成基础。

3 研究结论及启示

通过对LBNL研究领域90年发展史的系统梳理和剖析，提炼出国家实验室研究领域富化机理。具体来看：时空分别以生产要素在时间上先后相继的纵向持续累计和再生产，以及在不同地理空间中的相对优势及其横向流动，约束国家实验室研究领域在何时、何地通过培育、发展、巩固和淘汰实现富化；多元化参与主体在发挥各自独有作用的基础上协力支撑国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰；手段的设施化承载主要通过设施建造、运行本身和其平台属性为国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰提供支撑，且设施使用呈现区域化和全球化趋势；主要通过人、设施和信息共享平台三类具体载体实现的累积性和交叉性知识增值，为国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰提供知识依附；政策以集成研究领域形成动力 (国家战略和科技发展所需)和研究领域形成条件 (如资金配置)的方式作用于国家实验室研究领域的培育、发展、巩固与淘汰；培育、发展、巩固与淘汰四种实现方式的动态组合推动了 “新陈代谢”基础上的国家实验室研究领域富化；国家实验室研究领域富化不仅是结果输出还是条件输入，即富化结果反作用于时空、主体、手段、知识和政策相态的改变，并助力国家实验室研究领域跃迁入新一轮更高层次的富化过程。

基于上述研究结论，可获得以下政策建议：

(1)国家实验室研究领域富化过程理应嵌入时空约束。一方面，富化过程是循序渐进而非一蹴而就的过程，即使通过计划性研究领域组合也需要一定时间的融合才能真正实现富化，任何忽视时间向度的冒进举措都不利于国家实验室实现研究领域富化；另一方面，充分利用空间优势 (无论地理空间还是虚拟/网络空间)为国家实验室研究领域富化提供有力的空间布局，如选择生产要素聚集高地布局国家实验室等。

(2)充分调动多元主体合力参与国家实验室研究领域富化过程。在充分发挥政府宏观 “掌舵”的基础上，调动市场和社会力量合力参与国家实验室研究领域的富化，也为切实发挥研究领域富化的科技、经济、政治和社会等多重功效奠定基础。

(3)着力推动国家实验室承接重大科技基础设施建设与运营。据此为国家实验室聚集优秀人才、汇集前沿知识、引入和创新管理体制等提供附着载体，进而为国家实验室研究领域富化提供优质资源基础。

(4)建立和完善知识增值机制。研究领域的富化过程就是知识增值的过程，所以要通过完善知识流动、吸收、消化、共享和创新机制等激发知识增值效率和效益，为国家实验室研究领域富化提供雄厚的知识支撑。

(5)创设国家实验室研究领域评估和筛选机制。在融合全球化和区域化视角前提下，综合科学界、产业界和政界等不同领域专家意见的基础上，建构科学合理的国家实验室研究领域评估和筛选体系，为国家实验室研究领域的培育、发展、巩固和淘汰提供决策依据，以确保国家实验室研究领域富化过程有序、有效进行。

(6)充分发挥政策集成作用。在准确、实时吸收国家重大战略和科学发展双重需求的基础上，借助政策本身具有的工具效能引导各类资源助力国家实验室研究领域富化。

(7)推动国家实验室研究领域富化不断跃迁。通过实时系统性评估掌握国家实验室的整体状况，结合国家战略需求和科学发展方向，不失时机地借助培育新兴研究领域、发展潜在研究领域、巩固优势研究领域、压缩或淘汰劣势研究领域的组合举措，推动国家实验室研究领域群落打破停滞性封闭循环，跃迁入更高层次的研究领域富化过程。