小科学，大科学，超大科学——对科技发展三大模式及其增长规律的比较分析

沈 律

(1.皖南医学院科研处，安徽 芜湖 241002；2.中国管理科学研究院，北京 100036)

0 引言

随着21世纪现代科技的发展和超大科学时代的到来，中华民族在世界全面崛起。联合国世界知识产权组织发布的《2019年世界知识产权指标》显示，中国大陆再次成为全球专利申请量最多的国家，并且推动亚洲专利申请量再创新高，现已占据全球专利申请总量的三分之二，超过美国、日本、欧洲之和；中国已成世界科技论文发表数量最多的国家；中国科技研发人员总数超美国成世界第一。国家统计局、科技部和财政部共同公布的《2018年全国科技经费投入统计公报》显示，中国2018年R&D科研经费投入为1.96779万亿元，增长11.8%，居世界第二。根据国家商务部、科技部、财政部、国家统计局的权威报告，截至2018年，中国按照年均6%左右的增长速度，GDP总量将很快 (预计2030年前后)超越美国越居全世界第一，中国已成为全球货物贸易第一大国。这一系列数据显示，中国正在发生前所未有的巨大变化，这种变化将对世界科技、经济和社会发展起着巨大推动作用，从而激发中华民族的创新精神和创造热情，使中国在国际学术界的地位不断提高。因此，现在已经到了中国为世界科技事业做出巨大贡献的时期，也到了为世界提出新科技、新经济和新社会发展理论和发展模式的时候。纵观世界科技发展，世界科技发生了巨大变化，这种变化导致世界科技文明中心不断转移，而每次科技中心的转移又与各国选择的科技发展道路和发展模式直接相关，这是由科技增长规律不一样所导致的。了解科技发展模式及其背后的动力学机制可以更好地发展国家科技事业，促进中华民族的伟大复兴。

1 科技发展的三大基本模式

从科技发展史不难看出，世界科技发展已经历和正在经历着几个重要时期，除了普赖斯提出的小科学时期和大科学时期[1]，还有现在提出的超大科学时期[2]，这几个时期的科技发展模式完全不一样。

1.1 小科学模式

从科技发展史上可以看到，科技经历了16世纪意大利伽利略个体研究时期、17世纪英国牛顿松散的皇家学会时期、18世纪法国拉瓦锡实验室小集体研究时期和19世纪美国爱迪生的实验工厂大集体研究时期。这几个时期的科技都可以看成是小科学发展时期。在小科学时代，科技发展表现出一定的非常规性。科学家和工程师们主要凭借个人的财力和兴趣从事于科技创新。可以看出，小科学时代的科技发展是一种非常规的自由探索型科技发展模式。从投入模式上看是一种小规模 (个人或小集体)式的自主性投入。这种个人主导和小集体或大集体主导型的R&D活动是小科学时代的主要特点。在19世纪以前的欧洲小科学时代，科研活动是一种分散式的、个体的、小集体的随机的组合。在19世纪中叶以前，科研活动的方式一直是以科学家个体劳动为主体。19世纪中叶以后，出现了集体的合作式的研究。在基础理论研究方面，产生了麦克斯韦在剑桥大学创建的卡文迪什实验室。在应用技术方面，产生了爱迪生创办的门罗研究所。此后，集体研究机构不断涌现。以美国为例，1920年美国工业实验室有300个，1930年增至1600个，到第二次世界大战前夕已达2200个。可见，小科学时代主要特征是其科技发展遵循指数规律增长。恩格斯在19世纪描述这个时代的特征时是这样说的： “科学的发展从此便以巨人的步伐前进，这种发展可以说是与从其出发点起的时间的距离的平方成正比的”[3]。原因是小科学时期科技探索过程没有约束。无论思想上，还是行动上都是自由探索型的。人们思想活跃，又不受外界的影响。因此科技成果出现加速增长的势头，并遵循指数曲线规律。此外，在这个历史时期还伴随着一系列社会革命爆发。像意大利文艺复兴运动、英国资产阶级革命、法国大革命、德国革命等。出现了像达尔文、牛顿、莱布尼茨、伽利略等一大批代表人物。这些人物对世界科技的发展做出了不可磨灭的贡献，他们的名字将永载史册。

1.2 大科学模式

20世纪，科技发展进入大科学时代。大科学时代是适应现代社会大工业生产的需要，满足现代战争的要求而形成的科技组织观念和组织形式。大科学模式起源于德国，法西斯德国为了发动侵略战争，以国家规模的科研活动方式于1936年在佩纳明德村耗资5亿马克建立陆、空军联合试验场。鼎盛时期有1.8万人在这里工作，其中5000人是R&D研究人员，它称得上是当时世界上最大的科研中心之一。佩纳明德基地的技术领头人就是人称 “火箭之父”的冯·布劳恩。1942年为了战胜法西斯，美国陆军部组织实施曼哈顿计划，该计划动员了10多万人参加，耗资20多亿美元。战后，这种组织形式更为常见，规模也越来越大。许多国家的重大尖端项目都是以大科学方式完成。第二次世界大战以来，科研活动的社会化程度更加提高。一项大科学计划的实施往往要耗资几十亿到几百亿美元，动用几十万科研人员，参加单位几万户，历时几年到几十年。R&D和社会生产密切结合并协调发展。科研机构和科研人员的快速增长导致大科学时代的到来，但科技增长不可能无限地持续下去，导致科技常规化，所以科技进入增长饱和时期是必然的。科技成为国家的一种事业，科技部门被纳入国家建制，成为国家事业发展的一个重要组成部分。从此，小科技时代被大科学时代所取代。到20世纪末，大科学在美国发展到它的巅峰。同时，随着科技事业的发展，政府过分干预，再加上过去建立在笛卡尔分析式思维上传统的科技发展观出现了全面危机，导致科技发展出现常规化，大科学时代因此走向饱和状态，大科学发展也因此被西方各国削弱并跌入低谷。大科学时代的科技发展饱和现象是以美国等西方发达国家科技发展模式为代表衰退发生的根本原因。例如，美国基本粒子物理学研究项目被削减表现得尤其突出。随着西方国家经济不景气，资助科研活动的经费越来越减少，更加导致了大科学衰退速度加快，大科学走向饱和状态是必然的。因此，西方社会的一些学者由此不得不感到哀叹：科技已经面临着极大危机；科技末日已经来临；科技已经走向终结；科技的黄昏期已经到来[4]等。他们对此感到无比沮丧和茫然，不知未来科技将走向何方？另一方面由于科技的发展带来一系列负面效应，诸如环境问题、人口问题、粮食问题、生态问题、战争问题等，从而导致人们对发展科技事业的真正价值产生怀疑，因此出现各种反科技主义思潮。这些现象的出现，必然引起人们对科技发展的深刻反思。由于出现科技常规化发展，导致现代社会发展一系列问题的产生和不能解决，这又必然导致政府主导下大院、大所科研的大科学时代的结束。由此看来，大科学时代科技发展的主要特征是科技发展遵循S曲线规律。所以，普赖斯将大科学称为饱和科学。大科学时代出现了一些代表性科研机构，如美国航空航天局、中国科学院、俄罗斯国家科学院等，这些机构的出现为大科学时代的科技发展做出过杰出贡献。大科学时代主要搞的一些大项目，如美国的阿波罗登月计划、苏联的卫星发射计划、中国的两弹一星计划等，这些项目的完成对人类社会的进步发挥着积极作用。

1.3 超大科学模式

随着21世纪的到来，科技开始从大科学时代向超大科学时代迈进。21世纪将是超常规科技大发展的世纪[5]。超常规科技也可以说是指孕育时期的科技，这些科技的一个最重要的特征就是更加强调它的原创性。与此同时也将坚决地与伪科学和反科学现象做斗争。因为在超大科学时代，大量的伪科学现象泛滥，它们往往打着所谓超常规科技的旗帜，实际干着反科学的事情，它们鱼目混珠，欺骗群众，对社会发展造成极大的危害。所以，超大科学时代，人们与伪科学和反科学现象的斗争应是坚决的、彻底的和毫不留情的。只有这样，真正的超常规科技才能在孕育中健康成长。现在提出的超常规科技理念不是一种所谓超自然的或神秘的伪科技，而是建立在一定科学基础上的与常规科技不一样的非常规科技。超大科学包含着超常规科技、超大规模科技体系、超复杂结构科技体系、超国家创新体系等含义，主要是指大量交叉科技、边缘科技、横向科技、综合科技，它代表着未来科技发展的大方向。超大科学时代也是一个科技与经济、社会发展相结合的多元化时代。在R&D方面，它不同于小科学时代 (个人行为)、大科学时代 (政府行为)的一个最显著特征，就在于其是政府行为、个人行为、私营行为、企业行为、社会行为、团体行为、跨国企业、科技基金会等多方面的有机结合，是一种综合性行为。同时由于科技投入的超大规模和科技交流的扩大，科技活动已经不是一个国家主导或一个国家参与的行为活动，而是一种跨国家、跨政府、跨学科的R&D行为。在全球化时代，全世界的科技发展将是一个人类科技命运共同体，谁都离不开谁，大家只有走合作共享、互利共赢的发展之路，才能使各国科技事业不断壮大。这个时代的科技发展既有别于个人主导下的小科技时代，也有别于政府主导下的大科学时代，而是一个以市场为导向、以企业科技创新为主体的多元化投入的科技发展时代。随着现代科技革命在美国首先爆发并迅速波及全世界，尤其是传播到中国，科技的发展又将呈现出一片新的曙光。这时期，由于科技投入方式的多元化结构的形成和企业科技创新主体地位的确立，R&D活动开始向更广泛的方面发展。这种多元化的综合性行为的出现，正标志着一个崭新的超大科学时代的到来。这个时代，科技的发展将突破政府主导下的大科技发展的束缚，走出一条超常规发展的道路。本文认为，超大科学理念的建立将对未来中国乃至世界各国科技决策者制定国家科技、经济与社会发展战略、政策以及制定国家发展规划和计划均具有非常重要的现实指导意义。超大科学时代科技增长遵循双S曲线规律。随着对超常规科技发展时期的认识，对胚胎孕育时期科技发展过程的研究，发现科技的增长模式正在发生深刻变化。双S曲线增长模式的产生得益于把生命科学理念引入到分析当今世界科技发展的过程。在这个时期，人们更加注重于原始性创新。这种对原始创新的高度重视是超大科学时代的重要特征，也是超常规科技作为主流科技发展的重要体现。对胚胎孕育时期科技发展的研究，可以看成是对传统科技发展规律认识的一个重要突破和创新。科技的增长经历两个重要的时期：一个是科技革命时期，一个是稳定增长时期。科技革命时期，可以看成是新科技的胚胎孕育时期，而稳定增长时期则是规范科技的生长发育时期。一个是非常规科技的增长时期，另一个则是常规科技增长时期。这两个时期的结合构成科技发展的全过程，就像人体生长发育过程一样。人类生长发育过程包括在母亲的肚子里孕育10个月左右的生长过程和出生后几十年的生长发育成长过程，是这两个过程的有机结合。前一个过程只有10个月左右时间，因此比较短，是小S曲线。后一个过程可以是几十年，因此比较长，是大S曲线。这两个曲线加在一起构成人体生长发育的全过程。对科技增长的双饱和曲线的认识，将有助于更深刻地认识到科技发展的孕育性、潜在性和超常规性。这样更有助于提高对科技创新过程的理解，尤其是对自主创新过程价值的确认。现代科技革命的爆发，导致现今世界正在走向一个全球化大融合的变革时代。东西方文化正在经历一次大交锋、大交流、大碰撞、大杂交、大互补、大冲突。这一历史进程为超常规科技的形成与发展提供了一个非常适宜的土壤和环境。科技的高度分化与高度综合也为超常规科技的产生和发展提供了前提。在这样一个大环境下，科技必将拥有一次很大的突破。现代科技革命为超大科学时代的到来拉开了新的序幕，未来人类社会的一系列重大理论与实际问题，诸如人口爆炸问题、生态环境失调问题、可持续发展问题、人类生物工程问题、人工智能问题等，均需要超大科学来解决。因此，大力发展超常规科技，走超大科学自主创新之路，将成为新时代科技发展的历史潮流。据此，超大科学时代是非常规科技大发展的时代，是大量超常规科技涌现的时代。这个时期产生的企业如中国的华为、格力、字节等；美国的苹果、微软等；韩国的三星、现代等；日本的索尼等，这些都是这个时期涌现的代表企业。这些企业在超大科学时代将会发挥更重要的科技创新作用，它们将推动世界科技、经济和社会巨大进步。

2 科技增长的三大基本规律

科技是进化发展的，并且表现出一定的规律性。科技发展规律是描述科技随时间变化的函数规律，描述科技增长的函数规律有指数曲线规律、逻辑斯蒂曲线规律、双逻辑斯蒂曲线规律。

2.1 科技增长的指数曲线规律

(1)科技发展的加速现象。恩格斯最早发现科技按指数函数规律发展，1844年在马尔萨斯理论的影响下他指出： “科学的发展至少也是和人口的增长一样快，因此在最普通的情况下，科学也是按几何级数发展的。”后来恩格斯在《自然辩证法》导言中又进一步阐述了这一思想，把加速发展作为科学发展的一条客观规律提了出来。在以后的100多年时间里，人们对表征科学发展的各种计量指标，如重大科学发明、科学论文、科学刊物、科研机构等进行了大量统计，结果完全证实了恩格斯关于科学发展加速规律论断的正确性。1944年美国美以美大学图书馆馆员赖德先生也发现，美国大学图书馆藏书量平均每16年翻一番。他以耶鲁大学图书馆为例来验证这一推想。耶鲁大学图书馆在18世纪初期藏书1000部，假如由此每16年增加1倍，那么1938年该图书馆藏书量应该是增加260万部，而实际调查结果是耶鲁大学图书馆1938年藏书量为274.8万部，与理论预测值接近。20世纪50年代普赖斯独立发现科学指数增长规律后，把赖德先生在图书情报这一领域的发现推广到科学知识的全部领域。他在1961年出版的《巴比伦以来的科学》一书中，以科学期刊和学术论文作为知识量的重要指标，描述了科学发展的加速规律。世界上第一份科学技术期刊是1665年首次刊发的《伦敦皇家学会哲学学报》，从此科技杂志数量不断增长，1665年为1种，1750年为10种左右，1800年为100种左右，1865年为1000种左右，1900年为10000种左右，1965年为100000种以上。可以看出，从1750年开始，科技期刊平均每60年增长10倍，其倍增周期为18年。根据《化学文摘》《生物学文摘》《科学文摘》近几十年的数据也可发现同样的增长趋势。如果以科学文献累积量为纵轴，以历史年代为横轴，把各个不同年代的科学文献量在坐标图上逐点描绘出来，以一条光滑曲线连接各点，可以十分近似地表征科学文献随时间增长的规律，这就是著名的普赖斯曲线[6]。普赖斯以科技文献为例导出了科技发展的指数增长规律。

(2)科技增长的指数曲线规律。美国科学学与科学史学家普赖斯根据约30组像上面这样的统计数字发现了科学技术的各项指标是加速增长的，并且在一定时间内它们是常数。1962年普赖斯用计量方法把科技的这种加速增长规律描绘成指数增长曲线，1963年又在《小科学，大科学》一书中进一步对指数规律进行阐述，如图1所示。

图1 科技增长的加速规律 (指数曲线)

图1中，各种科技指标以指数规律随时间变化，形象地说就是它们的增长是从开始缓缓的渐变迅速地变为后来的爆发式激增。其数学计算公式为：

Ft=Aekt

式中，Ft表示随时间t变化的科技指标，如科技人员、科研资料、经费等。A表示统计初始时刻 (t=0)的文献量，e=2.718，k表示持续增长率。假定普赖斯指数增长规律成立，通过微分方程表示，它意味着在很短的时间dt内科技指标Ft的增量为：

dFt/dt=kFt

这就是说，在t时间内科技指标的增量与Ft本身的数量大小成正比。Ft为科学技术增量指标；t为时间；k为任意常量。

需要说明，恩格斯早在19世纪就已发现科学发展的加速现象,他在《自然辩证法》一书中指出： “科学的发展从此便以巨人的步伐前进，这种发展可以说是与从其出发点起的时间的距离的平方成正比的。”后来美国美以美大学图书管理员赖德也在普赖斯之前发现了图书文献指数增长规律，但是他们都没有经过严格的计量学处理，经过科学计量学处理的，大家一致公认的还是普赖斯。因此，科技增长的指数曲线又被称为普赖斯曲线或普赖斯定律。

科技指数增长理论对了解科技发展的加速现象，尤其是在科技革命爆发时期，各种学术理论、学术思想、学术方法、学术设计等不断涌现的背景下，对认识科技发展过程有很大帮助。但也不能忘记，它只是对科技发展阶段性的一种认识。科技发展不同阶段表现的状况是不一样的，只有到了科技革命爆发的中期 (B期)或者稳定增长的中期 (F期)才表现出来。科技增长的指数规律是小科学时代科技发展模式的理论基础。小科学时代是二次世界大战之前 (主要指19世纪)的科技发展模式。这种科技发展模式是以个体或小集体为主导的科技发展模式，这种模式起源于欧洲，在欧洲国家发展达到顶峰。它具有灵活性、自由性、探索性等特点，但规模较小，只适合于找科技矿藏，不适合大规模挖掘科技矿藏[7]。因此，它必然要被后来兴起的大科学时代所取代。

2.2 科技增长的S曲线规律

(1)科技发展的饱和现象。普赖斯的指数方程和指数曲线正确地表达了在一定时间内科技增长的规律，但它还是局部的、有限的。例如，按照这个曲线来预见未来科学技术的发展状况便会得出荒谬的结论。就科学家人数来讲，每半个世纪增加一个数量级，到20世纪中叶将达百万计，那么这种趋势会一直保持下去吗？也就是说，到20世纪末就会有数以千万计的科学家，到21世纪中叶就会有成亿的科学家。最后科学家将达到或超过总人口数。这可能吗？不可能。普赖斯本人也十分清楚，他说： “我们不能让科技在经历了5个数量级的发展之后再跃到另两个数量级上。假如这么做了，那么人口中的每一个男人、女人和狗就会有两个科学家。而且，用于科技的支出将两倍于现有的资金。这样用不了1个世纪，科技的末日也就到来了。”其实，在过去和现代，都有违反指数规律的科技发展阶段。以现代为例，进入20世纪70年代以来，世界主要科技先进国家的各项科技指标的增长速度已开始下降。科学家的数量、科研经费的投入数量、科技情报的增长数量、都保持在占国民经济生产总值的1%～3%左右，从而导致科技发展的饱和现象的出现。

(2)科技增长的S曲线规律。通过对上述情况的分析，普赖斯对科技增长的指数函数曲线进行了修正，把它看作是科技发展过程中的某些高速发展阶段的反映。而科技整个发展过程的规律用曲线来表示应该是逻辑斯蒂曲线。众所周知，逻辑斯蒂曲线是1838年由比利时数学家威尔霍斯特及其同事凯特勒特所提出，他们是在增长阻抗理念的启发下，改进了马尔萨斯指数增长模型，克服了马氏模型的一些缺陷，提出并将改进后的模型命名为逻辑斯蒂模型[8]。

普赖斯等在分析研究科技增长时看到，用指数增长规律描述科技增长的局限性，甚至会出现谬误，同时通过对许多学科专业文献增长情况的分析观察，发现更多的结果为典型的S曲线，而非简单的指数增长曲线。所以，普赖斯与费拉杜茨、纳里莫夫等人在60年代开始研究用威尔霍斯特逻辑斯蒂曲线来描述科技增长过程。普赖斯等将S曲线模型应用到科技增长理论分析的研究，并提出科技增长的S曲线理论，如图2所示。其数学计算公式为：

图2 科技增长的饱和规律 (S曲线)

式中，Ft为科学知识增长量；t为时间变量 (单位为年)；k,α,b为大于零的常数；k为当t趋向于无穷大时的科学文献量的最大值。用常微分方程可表示为：

dFt=KFt(B-Ft)dt

科技增长速度取决于对饱和极限的接近程度。B为科学技术增长的饱和极限；n0为科学技术增长曲线的拐点；Ft为科技增长指标；t为时间；K为任意常数。

逻辑曲线有一个极限值Ft，B称为天花板，在逻辑曲线里，前一段是按指数规律增长但到了中点n0拐点处时，指数增长趋势开始变缓，曲线开始向下弯曲，曲线逐渐接近天花板B，但不会达到或突破这个极限。该曲线形状好像一个大S，因此又叫S形曲线，该规律又称为S形曲线规律。毫无疑问，对科技的社会劳动规模的各项社会指标，如科技人员、科研经费的投入数量、科技论文的发表数量等指标的观察，这种极限均是存在的。增长不可能永远保持加速度，认识无限发展的规律不等于科学家数、科研经费数无限的加速增长的规律。科学文献作为传播科技情报这一复杂系统子系统，其增长规律受到许多因素的影响和制约，只有利用系统理论的观点对其系统分析，才能得到比较符合实际的结果。这是科技发展在各种因素的制约下走向均衡的过程，从各种指标统计上看均是如此。

科技增长的饱和规律 (S曲线规律)是普赖斯提出大科学的理论基础，普赖斯就将大科学称为饱和科学。科技按照加速规律增长到一定时期，它不可能一直增长下去，如果一直增长下去的话，那么从科学家数量上看，全世界人人都可能成为科学家。从发表论文和书籍数量上看，世界上的论文和图书会占据整个地球。这是不可能发生的现象。因此，增长到一定时期必然要出现拐点，使科技增长趋向饱和。科技增长的饱和曲线是大科学模式的理论基础。大科学模式起源于德国，二战后大科学模式在美国发展到典盛，这种发展模式是以国家政府主导，以大院、大所为主体的国家投入和组织的方式开展科技活动为主要形式。因此，从规模上看比小科学规模要大，从投入的科研经费上看也比小科学时代多。但这种大科学发展模式的计划性比较强，政府的干预也比较强。因此，科技目标比较明确。创新性与小科学相比不是很强。例如，美国阿波罗登月计划总指挥韦伯曾经说过： “阿波罗登月计划中没有一项新发明的技术，都是现成的技术，关键在于综合。”大科学时代科技发展已进入常规时期。大科学模式的优势是可以集中国家力量办大事，适合于大规模采掘科技矿藏。

2.3 科技增长的双S曲线规律

(1)科技发展的增殖现象。科学技术是人类社会文明的基因组图谱[9]。人类社会之所以能够按照严格的顺序发育成今天这样具有一定规模的社会体系，其根本原因就是人类社会体系中有一个完整的人类社会文明基因组 (科技信息系统)科技基因结构序列，人类社会文明的发育程序都已编码于科学技术信息系统的科技基因结构序列之中。发育程序可与建造一个建筑物的蓝图相比拟。人类社会文明的发育过程是通过科技体系内部科技遗传信息有秩序的结构复制与功能表达而使蓝图逐步实现的过程。人类社会大厦的一切物质文明与精神文明都可以看成是这个社会基因组复制与表达的结果。通过对人类社会进化过程中科技增长的观察分析发现，人类社会的进化发展过程就是人类社会基因组内科技遗传信息 (纵向科技遗传信息、横向科技遗传信息)的复制与表达 (功能转化)过程，这个过程遵循生命周期双S曲线规律。前一个S曲线过程表达的主要是纵向科技遗传信息，后一个S曲线过程表达的主要是横向科技遗传信息，并且这两个过程正好构成一条双S曲线规律。科技体系作为人类社会文明基因组，在人类社会发展的过程中发挥着决定性重要作用。人类社会文明史可以看成是一部科技遗传信息复制与表达的过程史。科技体系的增殖现象表现出一定的周期性，这种周期性表现出两个增长过程的衰退，即非常规增长期的衰退与常规期增长期的衰退。这两个过程构成一个完整的生命周期。这个生命周期可称之科技发展的增殖周期，这种现象可称之科技发展的增殖现象。

(2)科技增长的双S曲线规律。科技体系的增长过程与人类社会的发展过程密切相关。科技体系作为人类社会基因组对人类社会发展的影响是决定性的。人类社会在进化发展过程中伴随着科技的复制与表达，复制与表达的过程就是科技增长过程，也是科技体系的增殖过程。人类社会文明的发展过程是一个科技体系由量变到质变的发展过程。这个过程中包括人类社会变革中孕育着新的社会 “胚胎” (新科技体系)。这个 “胚胎”中包含新科技基因。新科技体系中包含两类基因：一类是纵向科技遗传基因，另一类是横向科技遗传基因；前者来源于历史上科技的长期进化发展，后者来源于一个国家的内、外科学技术的杂交。一旦人类社会新科技 “受精”成功，接着就是进行纵向科技遗传信息与横向科技遗传信息的相继复制与表达。首先是进行纵向科技遗传信息的复制与表达，其次是进行横向科技遗传信息的复制与表达。前者导致科技以非常规方式进行增长，表现为科技革命变革状态，即新旧科技相互转变、相互斗争的交替状态。后者导致科技以常规方式进行规范式增长。科技增殖过程就是一个由生殖分化到生长发育、由潜伏状态到显现状态、由非常规增长到常规增长的过程，是新旧科技体系矛盾斗争统一的过程。在这个过程中，科技体系从产生 (被科技界所证实)到发展再到消亡 (被科技界所证伪)表现出两个增长期的衰退，即一个是非常规增长期的衰退和另一个是常规增长期的衰退。两次增长期的衰退正好构成一个科技体系增殖周期。各个时期科技体系的增殖周期的长短是不一样的，表现出的空间形式和时间序列也不一样。这主要是因为科技体系的增殖过程受到多方面因素的作用与制约。科技体系的进化发展是一个质变中包含量变、量变中包含质变的过程，在这个过程中，科技体系呈双S曲线规律进化发展。这正好构成科技体系从产生 (相当于人类的受精卵子)到发展再到消亡 (相当于人类的终结衰亡)的全部过程，对科技体系增殖周期的分析研究，其表现出两个阶段和八个时期。前一个阶段复制与表达的是纵向科技遗传信息为主，后一个阶段复制与表达的是横向科技遗传信息为主，两者构成完整的生命周期，表现出一定的规律性，这一规律可以称为科技发展的增殖周期规律[10]。

第一阶段：革命变革阶段，又称为生殖分化阶段、非常规科技增长阶段、潜伏阶段、纵向科技遗传信息表达阶段、受精胚胎孕育阶段。其中，包括A期 (前期)、B期 (中期)、C期 (后期)、D期 (末期)，是非常规科技增长的S形曲线。此阶段类似于人体胚胎细胞增长时期。不具有特异性，不具有排他性。

第二阶段：稳定增长阶段，又称为生长发育阶段、常规科技增长阶段、显现阶段、横向科技遗传信息表达阶段、生长发育衰老阶段。其中，包括E期 (前期)、F期 (中期)、G期 (后期)、H期 (末期)，是为常规科技增长的S形曲线。此阶段类似于人体体细胞增长时期。具有很强的特异性和排他性。

这两个S曲线之和正好构成科技体系一个生命周期。所以，在人类社会生命发展过程中科技 (科技基因组)增长的过程表现为一条连续的双S型曲线规律，如图3所示。

图3 科技增长的增殖规律 (双S曲线)

分别对革命变革阶段非常规科技的增量与稳定发展阶段常规科技的增量进行积分，然后对其相加求和，得到数学表达式如下：

式中，Ft为科技增长总指标；Fta为非常规科技增长指标；Ftb为常规科技增长指标；t为科技增长总时间；非常规科技增长时间ta=t0-t1；常规科技增长时间tb=t1-t2；k1为非常规科技增长系数；k2为常规科技增长系数；M为非常规科技增长的饱和极限;N为常规科技增长的饱和极限；n0为非常规科技增长曲线的拐点；n1为常规科技增长曲线的拐点。

20世纪80年代，受系统科学的影响，笔者在研究生命科学 (人体发育生物学)中发现了人体生命周期双S曲线规律[11]，这是笔者20世纪80年代在生命科学研究方面的重要发现，然后又将它全面移植到科技增长问题的研究上，并得出科技增长的双S曲线规律。笔者首先将这个想法写成论文《科技体系进化的增殖周期规律》，提交《科学学研究》杂志发表，这篇论文全面分析描述了科技增长的双S曲线全过程。这是对恩格斯科技指数曲线增长和普赖斯S曲线增长理论创新的核心内容，也是建立超大科学理论的基础。它是区别于恩格斯、普赖斯的小科学、大科学理论的主要观点。由于科技与经济、社会的关系密切。双S曲线规律也可以用来分析经济增长与社会发展过程。经济增长与社会发展过程也应该遵循双S曲线规律。同时，普赖斯等提出的科技增长的S曲线也存在一定的局限性。即只看到科技增长的显在时期，而忽视了潜在时期；只看到常规时期的增长，而忽视非常规时期的增长；或者看到潜在时期与非常规时期，但并没有看到潜在时期、非常规时期增长也遵循了一个S曲线，因此得出科技增长的S曲线规律。把科技增长的过程看成是潜在时期和显在时期、非常规时期和常规时期结合，这两个时期分别遵循S曲线规律，因此将两个时期结合起来就是双S曲线规律。科技增长的双S曲线规律是对普赖斯的科技增长理论的突破和发展。为什么这么说呢？普赖斯的S曲线没有把科技发展的非常规时期与常规时期分别进行考察，它的这种描述是不完整的，也是不准确的。他的曲线一是受马尔萨斯指数增长曲线影响，二是受威尔霍斯特S型生长曲线的影响，准确地说是未摆脱马尔萨斯和威尔霍斯特增长理论规范的束缚。本文认为，指数曲线和S曲线是很难准确描述整个科技增长的全部过程，而要准确描述整个科技增长全部过程必须用生命周期双S曲线规律。

根据科技发展的增殖周期规律，同样饱和现象也出现在科技发展的两个时期：一是科技革命的D期。二是稳定增长的H期。这两个时期的科技增长均出现饱和现象，但增长的内容是不一样的，一个是非常规科技增长的饱和，另一个是常规科技增长的饱和。但两个增长均在科技发展史上发挥着巨大作用。科技基因组内纵向科技遗传信息与横向科技遗传信息复制与表达 (功能转化)对人类社会的进化及科技增长的影响是深刻的。它直接控制了人类社会发展及科技增长的节奏和速度，导致人类社会也呈现双S曲线发展。直接控制着人类社会发展过程中科技增长的类型和种类，使人们得以更好地揭示了人类社会发展过程中科技增长的基本规律。因此，从社会基因组 (科技信息体系)内科技遗传信息的复制与表达 (功能转化)上来理解人类社会科技增长过程，具有一定十分重要的理论与实践意义。这是因为超常规科技就是孕育时期的科技，也是非常规科技，孕育时期的超常规科技增长过程也遵循一个S曲线。过去人们认为科技增长是呈显现增长，忽略了潜在时期，或者知道潜在时期，但在描述上还是将它与显在时期一同进行描述，因此得出科技增长的S曲线规律。从科技基因组增殖 (扩增)和学科增长的角度，对人类社会发育过程进行全面系统分析研究，发现科技呈现双S曲线规律增长，所以得出与普赖斯等人不同的观点。这个观点是提出超大科学理念的理论基础。超大科学时期是一个鼓励和促进超常规科技大发展的时代，超大科学是21世纪科技发展模式。这种模式一方面关注科技发展的非常规时期，即超常规科技的发展；另一方面又关注科技发展的常规时期，成熟科技的发展。因此，他的优势不仅在于小规模寻找科技矿藏，而且在于大规模挖掘科技矿藏。它是将小科学与大科学的优势结合于一体，从而使自己的优势最大化。超大科学发展模式是以企业科技创新为主体，以市场经济为导向，以政府、企业、个人、基金会、跨国集团、跨政府的多元投入为主的科技发展模式。

3 科技发展模式及其增长规律的比较分析

超大科学理论是一种有别于恩格斯19世纪在欧洲建立的小科学理论和普赖斯20世纪60年代在美国提出的大科学理论。这个理论是建立在发现科技增长的双S曲线规律基础上的。而恩格斯小科学理论和普赖斯的大科学理论是分别建立在他们发现的科技增长的指数曲线规律和科技增长的S曲线规律之上。这是超大科学理论与小科学、大科学理论的本质区别。通过长期研究，笔者发现世界科技发展从规模、结构和功能等方面上看经历了和正在经历3个重要时期，即小科学时期、大科学时期和超大科学时期。小科学发展模式是以欧洲国家为代表；大科学发展模式是以美国为代表。现在超大科学发展模式则是以中国为代表。超大科学时期科技的发展正在经历着一场伟大变革。这场变革导致现代科技体系无论在规模上，还是在结构上和功能上以及内容和形式上等方面都发生了根本性质的巨大变化。这种巨大变化正在从根本上动摇大科学时代科技发展旧模式的基础，使得超大科学时代与大科学时代形成两个根本不同的重要时期。这种变化随着21世纪的到来已经变得越发明显。小科学和大科学时代科技增长规律，恩格斯在《自然辩证法》和普赖斯在《小科学，大科学》中早有论述，而超大科学时代科技增长规律方面的论述，笔者在《科技体系进化的增殖周期规律》一文中有过描述，本文中提出的数学模型就是对科技增长的双S曲线规律的进一步阐述。现在世界科技发展非常强调原始创新，所谓强调原始创新就是对科技发展的潜在期、胚胎期、超常规时期的高度重视。面对这时期的科学技术发展，再用恩格斯和普赖斯的指数曲线和S曲线理论是不好进一步加以解释了，而用双S曲线理论解释则是一种必然选择。因此，现代科技的发展所表现出来的重要特征与笔者的学术观点是相一致的。其实重视科技创新，重视原始创新不仅在中国，乃至全世界各主要发达国家都已经充分认识到了。自主科技创新问题为什么在现时期得到全世界如此高度的重视，这与当今世界科技进入超大科学时代具有密切的关系。超常规科技将成为21世纪科技发展的主流。这预示着21世纪一种全新的科技发展模式正在形成。小科学、大科学、超大科学所表现的特征见表1。

表1 小科技、大科技与超大科技的区别和联系

由表1可见，这三大模式重要特征的演变使得一种全新的科技时代即将或已经到来，这个时代就是超大科学时代。大科学时代在普赖斯大科学思想的指导下，世界科技，尤其是美国科技的发展达到了前所未有的高度。但大科学的发展所暴露出来的问题也越来越严重。对此，政府主导下的大科学时代必然导致科技发展的常规化。而这种常规化科技的发展必然要走向衰退。导致国家科技常规化发展主要原因与政府 “有形之手”的强烈干预是分不开的，以美国为代表的大科学模式是一种趋向保守的科技发展模式，而以中国为代表的超大科学模式是一种趋向开放的科技发展模式。保守意味着守旧，开放意味着创新。超大科学理论就是对恩格斯的小科学理论与美国著名科学学与科学计量学家普赖斯的大科学理论的突破与发展。没有他们过去的小科学与大科学理论，也就不可能有现在的超大科学理论。走中国特色的超大科学自主创新之路，建设创新型国家，实现国家科技事业跨越式发展。中国要走出一条不同于美国等西方发达国家走过的小科学和大科学发展道路，并且是具有中国特色的超大科学自主创新之路。走中国特色的超大科学自主创新之路应成为中国科技实现跨越式发展第三条道路的战略选择[12]。建设创新型国家就是要建立以改革和开放为前提，以市场经济为导向，以企业科技创新为主体，以国家大院、大所为补充，以多元化投入为依托，以 “产学研、技工贸”为一体，以国际合作为背景，以发展民生为根本，以构筑全球科技命运共同体为核心，以实现人类共同福祉为目的等多方面的世界一流科技、经济强国[13]。因此，希望超大科学理论能够对现在和未来的中国乃至世界各国科技发展战略、政策、规划和计划的制定产生积极影响，并提供一定理论支撑以及做出应有贡献。

4 结论

综上所述，科技作为人类社会文明的基因组图谱与人类社会的发展密切相关。小科学时代科技发展出现加速现象，因此遵循指数曲线规律。大科学时代科技发展出现饱和现象，因此遵循S曲线规律。超大科学时代科技发展出现增殖现象，因此遵循双S曲线规律。它们是人类对科技发展规律认识的3个重要阶段。因此只有把握好这3个基本规律，才能更好地认识科技和改造科技并最终驾驭科技，使科技发展与人类社会的发展相协调。21世纪世界正处于由工业化社会向信息化、智能化社会转变的历史时期。在这样的大背景下，现代科技也在从大科学时代向超大科学时代转变，超常规科技的发展将逐步取代常规科技成为未来科技发展的主流。在这样一个历史转型时期，世界各国科技事业的发展正面临着一次严峻的挑战和一个非常良好的发展机遇。从现在开始，中国应该选择超大科技发展模式，把科技发展的重点投入到超常规科技之上，大力发展超常规科技。确立企业科技创新的主体地位，加大科技多方投入的力度，形成国家产学研、技工贸创新体系，积极鼓励人们进行跨学科研究，给科技人员提供充分的学术自由和创造空间，在科技政策上应该偏向于超常规原始创新性研究。鼓励企业进行科技创新，加速科技成果向现实生产力转化，只有这样，科技事业才能迎来一次大飞跃、大发展、大突破。从小科学时代到大科学时代再到超大科学时代，世界科技发展模式正在发生根本性的变化。这种变化将会使人类对世界的认识和改造进入一个新阶段，这种变化还将导致世界科技、经济、社会等各个方面的巨大变革，这种变革是不随人们意志为转移的。