仪器设备的状况及认识上的差距
人类探求自然及其发展规律的手段归根结底决定于两个主要因素:实验和逻辑推理,逻辑推理推什么?推的是实验或观测的数据,以求得出表象背后的理性知识和关系。要实验,就需要仪器,仪器发展的复杂化和大型化就出现了设备。所以,仪器和设备渗透并凝聚了科技知识和技艺,科技仪器和设备的演进史,实际上就是科技知识物化的历史。
在近代科学史上,人们往往只知道某些科学理论的提出者,很少人知道伽利略的主要功绩是近代实验科学和材料力学的奠基人,牛顿当选皇家学会会员是由于发明了反射望远镜,莱布尼茨当选为英国皇家学会会员是由于发明了机械式计算机,麦克斯韦的主要功绩是用数学表述了法拉第用磁力线说明电磁感应原理,爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因是用光量子说合理地解释了光电效应现象。以实验为基础的理论与实验的互动和密切结合,才是科学得以发展和技术能够创新的准则。
值得称道的科学仪器产生于近代科学革命中,借助光学仪器的创新和发明,人们将观察范围向微观和宇观两翼扩展,从原子到今天可观测到的宇宙,靠的是显微镜和望远镜;从原子到夸克,则须靠加速器。
显微镜的发展,经历了光学显微镜、电子显微镜、电子隧道扫描显微镜和原子力显微镜诸阶段。如果将显微镜的这些发展排列开来,就会发现人类认识微观世界能力的发展过程。显微镜的演进,是人类认识微观世界的科技文化史。
最初用于观察天体的望远镜,是伽利略自制的用以观测月面和木星卫星运动的折射式望远镜,随后是牛顿发明的反射式望远镜。到如今,镜面直径达到6米以上的光学天文望远镜可观察到太阳系之外的银河星云,5公里长的射电天线阵能观测到银河系的类星体和脉冲星,人造飞船载送的哈勃望远镜已能观察到距我们137亿-147亿光年的宇宙范围。此外,科学家们还发明了可观察红巨星和红色星云的红外望远镜,可观测超新星爆炸残骸和黑洞的X射线望远镜等。
加速器的演进途径大致是:α射线;直线加速器;回旋加速器;质子回旋对撞机;电子回旋对撞机;电子环直线对撞机;电子直线对撞机。加速器的能量级由25万-60万电子伏特的高压倍加器、几百万电子伏特的回旋速器,至今已发展到2×1000GeV或2TeV (1万亿电子伏) 的正负质子对撞机。近年来世界加速器国际委员会正分别设计和筹建使用超导技术的2×250GeV (5000亿) 电子伏的大型正负电子直线对撞机。这样高能量的加速器的研制,将对于发现希格斯子,验证强相互作用与弱—电相互作用统一的“大统一”理论,具有重大的意义。加速器能级随年代变化曲线表明,加速器的种类和能级是随着年代的增长而增加的,而每步增长都是科学知识、技术手段和制造与管理能力等综合发展的结果,也是艺术风格和文化创新在科技上的表现。
上述三个案例说明,西方在科学仪器和设备特别是在微观和宇观观测或实验仪器和设备方面,比我国和东方要早四五百年。我国在19世纪晚期才有光学望远镜,到20世纪二三十年代才有光学显微镜,50年代初才有电子显微镜,至于电子隧道扫描显微镜还是近几年才从国外买到的,小型射电望远镜近几年才建设,我国至今尚没有原子力显微镜、红外和X-射线望远镜。至于加速器,20世纪五十年代后期在赵忠尧从美国带回的部分元器件的基础上,制造了一台小而简陋的直线加速器。1984~1988年高能物理研究所,以国家投入3亿元人民币,制造了2×2.2GeV的质子直线对撞机,使我国在这种能级上有了世界八大高能加速器之一。目前,高能物理所正在国家投资下,制造双环交叉电子直线对撞机,虽然能级增长不大,但是它的亮度(每秒每平方厘米通过的粒子数)却提高100倍,预计到2007年建成。我国已成为国际大型直线加速器国际委员会的成员,并参加准备和筹建国际大型正负电子对撞机工作。
目前,国家经济能力的迅速增长和科技经费投入的加大,我国在通用的仪器设备如显微镜、望远镜和电子计算机等已基本赶上发达国家研究机构,差距主要在专用仪器和设备上。有人说,在国外有钱的都买仪器和设备,只有没有钱的才自己做仪器。103年的诺贝尔科学奖中有90% 以上都发给了实验科学家,他们的实验发现绝大多数都用的是专用仪器,而且几乎都是自己研制或提出设计去订做得的,因为最了解该用什么仪器做研究的只有研究者自己。所以靠买仪器和设备做出原创性的突破,取得世界一流的贡献,可能性相当小。人们一再谈到剑桥大学卡文迪什实验室的成功经验,该室著名的核物理学家、诺贝尔奖获得者考克饶夫(J.D.Cockcroft)说过:“这个实验室在传统上按照自己去做的原则——用自己的手制造所有设备——去工作的” 。“自己去做”和“自己学习”是该室历届主任信奉的重要传统。实验研究人员应该具有设计、制作仪器和设备的知识和技能,并把它看作研究工作的必要组成部分,看作自己是否具备实验研究能力的重要标志。相比之下,我国的科技人员对于仪器却大多持等待的态度,等别人供应,因为至少在上学时就没有从师长那里学过发明和研制仪器设备的思想和技能。
科研经费总量及其配置上的差异
世界科学中心的转移和一流大学几乎都出现在当时的首强或次强国家,以及一流科研机构或大学大都产生于一流国家的富裕城市或地区,这表明经济环境和经费对于科技创新所产生的重要作用。在今天科学实验和仪器设备起重要作用的情况下,技术、产业和经济对于科技的发展有着更重要的影响。
2001年美国的研发费2400亿美元,占美国GDP的2.79%。其中,民用研发费为450亿美元,约220亿美元支持基础研究,用于大学研发的有200亿美元。企业研发费为750亿美元以上。我国2001年的研发费为1043亿元,相当于123亿-124亿美元,只占GDP的1.1%;2003年研发费与GDP之比达到1.31%,可谓历年之最高,但是远远低于西方发达国家的2.5%-2.9%的水平。而且至今投入强度仍与当前的国力增长不相称;至于其绝对值,只为美国的1/16.7。2004年美国的研发经费是我国的17.6倍,已达2900亿美元。
科研机构研究经费对比:笔者调研了国内外多个著名的科研机构和研发机构,它们的共同特点是管理规范、设施先进、经费充足、人才济济,因此研究人员能够投入全副精力和时间进行研究。出了25个诺贝尔奖获得者的剑桥的卡文迪什实验室,在上世纪70年代前经费充裕,工薪高,即使英国经济有所衰退的今天,他们近年的科研经费总数约0.27亿美元,按照2003年有430人计算,人均6.48万美元。按照在职研究人员数183人计算人均14.75万美元,按照专职研究人员数近60人计算人均达45万美元。美国的普林斯顿高级研究所是爱因斯坦生前工作的地方,其专职研究人员约40人,年资助的访研学者180人。2000年它的资产为3.657亿美元,该年研究花费约2828万美元(Princeton Institute of Advanced Study,1999~2000, 130)。按在职人员计算,人均12.85万美元,按照专职研究人员数计算人均70多万美元,这对于只做理论研究和探讨而不进行实验的科研机构来说是很高的。德国的普朗克学会是私立公助的研究机构,现有79个研究所、1.2万多人和3509位科学家。2001年的预算为12.61亿欧元,那时约相当于13亿美元,人均10.3万美元,按照专职研究人员数计算,人均34.2万美元。法国的巴斯德研究所是研究微生物和免疫学的研究机构,2002年的研究经费约为1.74亿欧元,当时相当于1.8亿多美元,也是私立公助的,目前共有2500人,人均7.2万美元;它有专职科研人员1900人,按照专职研究人数计算人均9.47万美元。这些数字表明,当今世界一流基础研究机构,在职研究人员的人均科研经费在10万~15万美元之间,专职研究人员的人均科研费用在34万~70万美元之间。反观我国具有代表性的科研机构,例如中国科学院物理研究所在2001~2002年度的年度预算约为500万美元,固定研究人员300人,人均1.667万美元,为上述国外科研机构人均经费最低者6.77万美元的1/4左右,此外,由于这里说的固定研究人员大体上相当于国外在职人员(英国流动人员较少),按此计算,物理所在职科研人员人均研究经费为普林斯顿高级研究所的13%和卡文迪什实验室的11%,巴斯德研究所的17.6%。我国科研机构原创性成果较少,与科研经费投入过低不无关系。
大学科研经费对比:美国的大学分公立的和私立的,名牌和好的大学几乎都是私立的,公立的大学由州和地方政府出资建立,以保持基本的教育水平。私立大学的经费来源主要靠私人、基金会和慈善机构捐赠,其次有房地产、控股公司和技术合同,这些大学还有数亿甚至上百亿美元的资产,财富之雄厚其他国高校望尘莫及。哈佛大学近年来的年研究经费就有4.8亿美元。与它们相比,英国大学较为逊色,著名的剑桥大学和牛津大学都是国立的,各有资产27亿和20多亿英镑,2001年剑桥大学获得比尔·盖茨(Bill Gates)的捐助达1.3亿美元。剑桥大学最富的三一学院曾被称为英国三大富有者之一,上世纪晚期有资产3亿多英镑,后来由于它在郊区的一块丘陵地带建设剑桥科学园用的房地产,随着剑桥科学院的迅速发展,因其房地产价值空前增大而致富。西方大学各学院的财产,多的达几亿、几十亿美元,少的只有几十万、几百万美元,贫富差别较大,因此在教学和科研的条件上也就不同。成就大而多的专业、实验室、系和学院,获得捐助的机会和数量自然大得多。哈佛大学的哈佛学院、肯尼迪学院和商学院由于名气大和出的名人多,其资产和获得的赠款也就大得多。剑桥大学的三一学院出过牛顿、麦克斯韦、J.J.汤姆森和卢瑟福等大量著名科学家,名声甚大,因而获得经费和捐助多,科研条件好,大师云集,划时代的成果迭出。
我国大学几乎都是公立的,经费主要由政府分配,近些年来虽然有不少私人或公司捐助和基金会资助,但是钱数都较少,学生的学费又低,因此教学和科研经费与上述世界名牌大学相比差距很大。按照初步了解,受到国家重点投入和支持的清华大学和北京大学在2001年各自的总收入不过20亿元左右,科研经费也就1亿元上下,分别相当于2.5亿和0.12亿美元,与上述国外名牌大学相比,只是它们的1/8~1/30,自然出现“经费少”和“工资低”的呼声。但是与它们相比,我们的优势是科技人员智力和劳动成本低,科研花费较少,只要不外购仪器和设备,进行正常的教学和研究运转是完全可以的。我国大学与西方大学的差距,更突出的还是人的素质和软环境方面,特别是教师和科学家的素质和科研的专业与方向的设置,以及学校的组织管理模式等。
企业研发经费比较:国外大中型公司都设立了研发机构,实行预算和年初拨款制度,进行有关的基础研究和技术开发,成为企业科技创新的重要原动力。大型公司的研发经费数额相当大,朗讯科技、IBM、微软和通用汽车等公司的年研发经费都在30亿~50亿美元之间,德国的西门子公司的2003年研发经费为58.18亿欧元。就企业研发投入强度而言,即使在前几年信息技术产业低迷甚至赔钱的情况下,它们的研发费用与年销售收入之比,反而有明显的增加。例如朗讯科技公司在2000年前几年的研发费与销售额之比为11%,2001年后几年达到13%以上,微软公司在1998~2001年达到16.2%~17.3%,英特尔公司从1998年的9.55%以后逐年增加1%,到2001年达到14.3%;IBM公司从1998年的4.9%到2001-2003年增加到5.7~6 %。这种情况在国外的生物制药企业更加明显,例如,因开发“伟哥”而著名的美国辉瑞公司,从在1991~1995年,研发费与销售额之比一直在11%以上,从1996到1998年每年增加1%左右,达到14.2%,到2000年又达到15%。美国的法玛西亚公司从1991年的14.8%持续增长到1997年的18.1%,后来几年仍保持15.2~17.1%的水平。值得注意的是我国深圳的华为公司,是我国研发投资强度最大的通信科技公司,1999~2001年其研发费分别为年销售收入的19.35%、13.6%和18.8%,它在2001年的发明专利申请量居全国企业第一位,已经成为我国最具有国际竞争力的电子信息技术企业。但总体来讲,我国企业还处在研发兴企的起步阶段,缴付国外的知识产权费和广告费很高,偿付之后所剩不多,优势自然不明显。以保健食品为例,其研发费占收入的1.55%左右,广告费却占6.54%为研发费的5倍之多,这种舍本求末的做法易于产生信誉和作假等问题。
基金会情况比较:美国基金会很多,国立的主要有国家科学基金会、国会的多个基金会,州政府或其机构设立的专项基金、各学科领域和学会几乎都有基金会,很多科研机构往往也有自己的科研基金等。私立的,很多财阀或大公司建立的各种基金会、慈善家捐助成立的基金会,以及出于某种专项原因而由某些人出资共同设立的基金会。在英国则有皇家学会、国家科学院、英国文化委员会、国家医学研究委员会及各大学和地区设立的基金会,大学的私立学院都有自己的财产和设立的奖学金,以及大量的国内外私人基金会等。这些基金会对科学家的研究课题不同程度上能给予资助和帮助。由于基金会很多,并且遍布国家机关和公司各个层次,申请和批准的机会多而且容易。
我国的科学基金会,基本上只有一个国家自然科学基金委和一个社会科学基金会。申请渠道单一、数额有限和分配不公问题,是影响我国科研积极性和创造性的重要原因之一。康奈尔大学的华裔分子生物学与遗传学教授吴瑞就曾在《自然》杂志特刊《中国之声》上撰文指出,中国基金评审中存在“小经费,大评审;中经费小评审;大经费不评审”的现象,我国的科研经费评审中,还存在评委专业知识面窄,以及背后有关系户和瓜分基金等问题。
经费与成果之间的关系:目前我国不少科技人员出现过分注重金钱和急于提高生活水平的倾向,工作效率和成果产出在数量和质量上总的说来与预期的差距较大。目前科技界的问题关键不全在钱上,而在创造性精神的培育和管理上。牛顿发现微积分和万有引力定律并未花什么钱,麦克斯韦的电磁场方程组是他辞职回乡的几年中苦思冥想出来的,爱因斯坦提出狭义相对论是业余爱好。关于20世纪50年代沃森(John A.Watson)和克里克 (Francis Crick)发现遗传基因的双螺旋结构的花费问题,据《科技日报》记者向杰的文章介绍,中国科学院院长路甬祥访问剑桥大学时,听到卡文迪什实验室的一位年长的科学家说过:“两位开创了分子生物学新纪元的年轻人研究此项目,得到的经费不会超过65英镑”。
但是在今天,简朴已经不宜再作为经费紧缺的装饰品,英国首相布莱尔在2002年就英国获得诺贝尔奖问题说过,过去50年英国有50个诺贝尔奖获得者,仅次于美国。但是近20年只有8位该奖得主,他认为落差之大说明人们不能太依赖于传统和爱国情感,需要的是充足的资金和公众的支持,不能再重复T.洪特(Tim Hunt)在2001年获得该奖时说的话:“我与同事们曾经凑了一笔钱,为实验室买了一部电话机。”
尽管科研费多少与科技原创性成果的产生并不总是成比例的,而且有时反差甚大,但大型仪器设备和庞大科研队伍的现代科学离不开强大的经费支持,“现代科学的本质是实验的”一语道破问题的实质。当然,仅仅有经费还是不够的。经费、人才、体制的优化配置,才是科技创新的保障。
图书资料和信息
图书馆的规模、藏书量和信息网,是衡量一个学校或科研机构优秀与否的重要因素。图书馆的藏书量,特别是经典著作及其手稿的藏量,便成为一座图书馆、一所大学和一个国家科学技术和文化水平的主要标志,而且它们往往与一个国家的富强和文明程度成比例。近代的剑桥大学图书馆、大英图书馆,现代的哈佛大学图书馆和美国国会图书馆,都以藏书量大和名著多而闻名于世。当笔者在剑桥大学图书馆的手稿档案室拿到书写整齐和保存完好的牛顿科学手稿,在史密森研究院的图书馆查到牛顿《原理》第一版的原版书时,当笔者在美国物理研究所图书馆听到和录下卢瑟福、爱因斯坦、N.玻尔和费米讲学的原声磁带时,深感他们保存科学文物之精心和周到。近些年来,信息全球化推进了科学知识的交流和全球化,多年前当笔者在史密森研究院提出要查找一篇重要的论文时,两天后一位黑人长者竟将从波士顿电传过来的论文打印稿放在笔者的书桌上,使人对现代科研条件的精良和服务的尽善而感慨万分!我国各大学和科研院所目前都在兴建堪称一流的图书馆,与各国著名大学和图书馆建立了联网检索,但在效率、速度和服务方面尚有待提高。
结论与启示
1.科技创新的物质环境是人类物质文明的一部分。校园的建筑与景观的设计,科研仪器、设备的研制、改进与使用,科研经费的投入总量及其配置方式,图书情报资料的收集、保存与利用,无不受制于人们的文化理念和相应的制度安排。归根结底,人的素质是第一位的。科技创新的物质条件即是科技创新的前提,也是包括科技创新在内的文化创新的结果。
2.中西方大学校园及建筑风格,从传统上讲,各有千秋;随着高等教育的普及和试验研究规模的扩大,两者都遇到结构与功能的矛盾,解决的方案虽说相似,但效果有别。中西方大学的组织模式不同,西方大学在日常生活上与社会联系紧密,但在精神世界里远离尘世的喧嚣;中国大学正好与之相反,日常生活方面与周围社区壁垒森严,但在精神上反而易受社会潮流的影响。
3.没有必要的科研仪器与设备,就根本谈不上科学的发展。现代科学本质上是实验科学,理论和应用归根结底来自实验并由实验予以检验。现代实验室的建立,是我国科技史上值得大书的一笔。20世纪80年代中期以来,我国开始建立国家重点实验室,至今已达161个,此外各地区、各部门、各大型企业都在着手建立自己的重点实验室。但有什么样的仪器、设备,不见得就有什么样的科技发展水平。我们的原始性创新能力还很差,大型设备的利用率不高,前沿研究人员设计专用设备的能力也不强,从而导致基础性实验研究和高技术自主知识产权两方面都与西方存在很大差距。
4.我国科研经费总数比发达国家差了将近20倍,企业研发经费也差数十倍,大学研究经费非常少,基金申请渠道单一。欲提升我国的科技竞争力,一方面要增加研发经费在国民生产总值中的比重,另一方面要改变资源的不合理配置,同时通过立法和经济手段有效地调动社会资源来发展科技事业。
5.图书、资料和信息网络对于科研和创新有着极其重要的作用,科学全球化和引进技术对于国家和地区的科技发展的意义越来越大,它们交流的实效和速度已成为大学、科研机构和公司研发机构最关注的焦点之一,我国近几年有了迅速发展,但要赶上还需要一定的时间,特别是在频道带宽和使用广度及资料信息服务上还存在较大问题。(阎康年)