基础研究与现实应用的联系

□本杰明·琼斯（Benjamin Jones）

基础研究和应用研究不应该对立起来，应用性越高的研究越有可能对基础科学产生影响

19世纪的几何学和爱因斯坦的相对论，与优步（Uber）有什么联系？研究证明，两者有着相当紧密的联系。

优步等移动应用可以通过位置共享将用户和附近的可用汽车联系起来，其理论基础是全球定位系统（GPS）技术。GPS技术需要一个在地球表面和卫星之间传输数据的卫星网络；但如果卫星的设计没有考虑到时间在地球和太空中是不同的这一事实（爱因斯坦广义相对论的一个原则），卫星就无法正确地传递数据。而爱因斯坦的广义相对论依赖于黎曼几何，黎曼于19世纪创立了这一理论，研究空间和曲线之间的关系，虽然当时它被认为是毫无用处的理论。

这个故事反映了一个关于基础科学和学术价值的争论。那么，推动了经济繁荣的市场创新，究竟与基础科学研究有着怎样的联系？

这是一个十分重要的问题。政府向学术中心、政策实验室等机构投入了大量资金，但是这些投资会带来多少回报呢？基础科学研究是否最终能够带来实用的进步？

关于基础科学研究的价值，一直存在明显对立的两类观点。一些人认为科学研究是有应用价值的新知识投资；而另一些人则认为，科学研究是孤立的，在实际应用中很难产生回报，正如市场创新极少依赖于大学或政府实验室的研究。对这个问题的态度，将直接影响政府资助基础科学研究的政策。在这一背景下，我们深入考察了专利发明和基础研究之间的联系。

基础研究与实际应用的分离程度

过去的研究文献通常聚焦于大学或其他研究机构的科学家是否拥有专利或创办企业，因为这将支持科学家与应用之间的直接联系。但这类研究的问题在于，科学家的发现，就像前文提到的黎曼那样，不仅能被最初的发现者使用，其他了解的人也可以使用。此外，某个发现可能引致其他研究并最终实现应用，这意味着研究与其支撑的创新之间可能没有直接联系，但存在高度的间接联系。

为了解释基础研究和相关应用之间的直接和间接联系，我们查找了1976-2015年美国专利商标局授予的全部480万项专利，以及二战以来科学引文索引数据库（Web of Science）可以检索到的全部3200万篇期刊论文。

大部分专利是由企业申报的，代表着潜在的市场创新。大多数研究论文都来自大学等研究机构。因此，这项研究不仅能够追踪科学研究和发明创新之间的联系，还有助于追踪从非盈利研究机构到企业的知识流动。我们的研究直接受益于大数据的发展，因为只在过去10年内，才可以获得研究所需的大量数据。

鉴于论文和专利都提供了参考文献和引用来源，我们构建了一个类似社交网络的地图，将专利和论文联系起来。我们编写了一个算法，根据所引用的中间论文或专利的数量，找出任意两项之间的最短距离，有效识别给定专利或发明的“科学谱系”。

科学不应停留在象牙塔

我们发现，科学研究与未来的实际应用之间存在着非常广泛的联系。

虽然一些论文没有被之后的研究引用过，但是在至少被引用过一次的研究论文中，80%的论文可能与后来的专利有关。与此同时，61%的专利与至少一篇研究论文相关。事实上，即使是在跨学科领域，大多数论文与专利之间的距离平均只有2-4项研究。

毫不奇怪，在数学等更抽象的科学领域，研究论文与专利之间的平均距离要比计算机等应用科学远。此外，市场影响力最大的专利（根据市场估值来衡量）往往是科学密集型的，相较于其他专利更直接依赖于科学进步。

总的来说，我们的发现表明基础科学研究十分重要。但科学进步并不像古老的谚语所说的那样，“一棵树在森林中倒下，即使周围没有人听到它倒下的声音，但它倒下时的确发出了声音”。相反，纵观科学文献，我们发现未来的专利（尤其是最具价值的专利）与基础研究之间有着广泛的联系。

瞄准巴斯德象限

我们同样研究了如何最大程度地发挥基础科学研究的潜在影响。也就是说，科学家如何才能从一开始就选择正确的研究对象呢？

有一种浪漫的观点认为，科学研究主要是由好奇心驱动的：一个学者选择了某一条研究路线，是因为他碰巧发现这个领域很吸引人，而不管它的应用性如何。对应用性的关注可能会被一些人视为不是“真正的”科学。

图 科学（应用与基础）研究的象限模型

与此相反，我们的研究结果表明，应用性越高的研究越有可能对基础科学产生影响。特别是那些被专利直接引用的研究论文往往会成为科学领域的“全垒打”，即成为被其他科学家广泛引用的杰出论文。因此，关注现实世界的问题不仅可能促成能够直接应用的专利，还能推动科学发展，深刻影响人们对于世界的理解。

如图所示，第Ⅱ象限代表既由求知欲引致又以应用为导向的研究，我们称之为“巴斯德象限”。这是以19世纪著名生物学家巴斯德的名字命名的，因为他在许多前沿基础科学领域研究的动力是为了解决食品安全等难题。比如他从牛奶中除去有害细菌的努力，使他同时发现了现代生物学最重要的观点之一——细菌会引起特定的疾病。

所以，基础研究和应用研究不应该对立起来，两者都很重要，但巴斯德所做的跨越两者界限的工作——由现实问题构成且致力于解决现实问题的科学研究——也是富有成效的。

总之，我们发现，在科学研究中，有相当大的一部分与实际应用联系紧密。这种联系有的是间接的，表明基础研究可能在最终的实际应用中获得多种多样和意想不到的回报。与此同时，与实际应用最直接相关的科学研究也在科学领域产生了重大影响。像巴斯德那样做研究更有可能成为科学领域的“全垒打”。