美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

随着国家之间的竞争逐渐演变成科技水平与创新能力的较量,国家实验室作为大国重器,已成为各国以举国之力竞相创新的“国家部队”。作为国家实验室建设的“头号玩家”,深度探究美国国家实验室的定位使命和建设历程,将为我国建设国家实验室研究体系提供有益借鉴。

按照国家实验室的定义,它一般是指国家投资、建立、管理和运营的大型战略科研创新机构,担负着国家重大战略创新使命,目的是为国家战略需求,体现国家意志,承担国家任务。
 
很多国人很自豪,认为只有中国才有举国体制,“举国之力,能办大事”的大国体制优越性。
 
其实,国家实验室世界上很多国家都有。尤其是以美国为首的西方发达国家,有大批量成熟运营的国家实验室机构,成为各国竞相创新的“国家部队”。
 
仅美国就有超过100个国家实验室,美国每年投入数千亿美元支持国家实验室建设,规模远超世界各国。
可以说,美国成为世界头号强国,国家实验室功不可没。本文重点以具体案例对象描述形式,介绍和分享美国国家实验室的创新历史经验。

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

功能定位

 

当今世界,美国作为世界头号科技强国,拥有一个庞大的国家实验室体系。美国国家实验室,是美国联邦政府在特定历史时期,根据国家战略任务导向,建立的一批肩负“国家使命”的科研设施。
美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

美国从上世纪初开始,利用难得的有利于美国飞速发展的国际机会和环境,包括通过转移、引进、消化、吸收欧洲国家的先进技术,进行再创新,历经一战、二战,以及战后与苏联的军备竞赛等,逐步建立物理、能源、生物等技术领域的国家实验室。
 
经过长期历史发展,美国国家实验室的运行管理机制已经日趋完善和成熟,成为美国国家创新体系的重要组成部分,为科技创新提供了强大动力。
 
从美国强大和飞速发展的历史,是否能够隐隐感觉到今天中国发展的未来?

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

国家实验室分类
目前,美国国家实验室,主要隶属美国联邦部委,比如:能源部、国防部和国家航空航天局等。
 
国家实验室,全部都是美国政府投资建设的,按照运营管理方式,主要分为两类:国营和民营。
1. 国家运营的国家实验室
 
国家运营的国家实验室,是联邦政府各部门设立并直接管理。因此,国营的国家实验室,完全是国家性质的科研创新机构,主要集中在国家公益性科技发展领域,这些领域的巨额投入,很难有较大的经济价值和回报,但是有深远的国家战略利益,以及社会价值和意义。
 
比如:美国卫生部下属的“美国国立卫生研究院(NIH)、商务部下属的国家标准和技术研究院(NIST)、农业部下属的农业研究局(ARS)均属此列,大部分的职员一般属于美国联邦雇员。
2. 民间运营的国家实验室
 
美国政府更加强调国家实验室资源的共享和开放。学术界主要关注知识及教育,产业界则集中关注市场及经济利益,美国联邦政府作为官方机构,居间引领,搭建了大学和企业的联合共享机制。
民间运营的国家实验室,联邦政府自己不参与、不干预管理,是将国家实验室的运营权力全权委托交给大学、企业等机构,进行自主化运营。
 
比如:能源部17个国家实验室,目前有16个委托给大学或非营利机构运行。
 
民间运营的国家实验室,虽然是政府巨额投资,但是政府并不将相关的科研成果“据为己有”,而是无偿提供给民营机构或企业。
美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

历史过程
1. 建立阶段
 
美国历史上,最初建立国家实验室,是为了满足国家重大战略需求,以高效完成目标衍生出强大且持久的建设动力。比如:
——艾姆斯国家实验室(Ames Laboratory)、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)等国家实验室的建立,初始目标是服务于二战时美国原子弹制造工程。
——布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)建立,直接源于美国二战后对原子能和平利用的强大需求。
——劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的形成,起因于处于冷战时期的美国急需发展先进核武器以应对国家安全危机的需求。
——萨凡纳河国家实验室(Savannah River National Laboratory)、西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的建设,则主要辅助美国解决二战后核废弃、核安全及国家安全方面的问题。
——国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)、国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory)的落成,则主要承担美国不同时期能源战略的各种科技研发任务。
——劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)首先由著名的物理学家劳伦斯成立“放射实验室”,之后,也因美国“曼哈顿计划”的需求而直接转入原子弹研究领域。
 
劳伦斯伯克利实验室是1939年诺贝尔物理学奖得主欧内斯特·奥兰多·伯克利先生建立的,早期关注于高能物理领域的研究。
 
劳伦斯·伯克利国家实验室,位于美国加州大学伯克利分校,由伯克利分校代管,占地81公顷,毗邻旧金山湾,隶属于美国能源部。
——爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)建立之初,是“国家反应堆试验站”;斯坦福直线加速器国家实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)、费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)、托马斯·杰斐逊加速器(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)国家实验室的形成,主要源于美国基础科学研究对大型科学仪器的需求,以其迎合和加速特殊时期核武器的研发、原子能的和平利用等国家重大战略需求为条件。
有些国家实验室成立,则是为了国家重要战略利益,重要研究领域与方向。比如:
——艾姆斯国家实验室(Ames Laboratory),在材料合成、设计方面始终保持其在美国材料科学中的核心地位。
 
——普林斯顿等离子物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory),至今依然是美国磁聚变研究领域的砥柱。
——洛斯·阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory),目前仍是美国核武器研发方面的佼佼者。
 
洛斯阿拉莫斯国家实验室,始建于1943年,曾云集大批世界顶尖科学家,其建立者包括原子弹之父奥本海默、氢弹之父爱德华·泰勒和诺贝尔物理奖得主欧内斯特·劳伦斯。
——斯坦福直线加速器国家实验室(SLAC National Accelerator Laboratory),更是美国核技术开发利用,对基础物理研究及国家能源研发等需求,形成至今已逾百年的国家能源技术实验室,在从事美国能源科研研发领域一直世界领先。同时,由此诞生了6位获得诺贝尔物理学奖的伟大科学家
2. 形成阶段
 
——美国二战时期最为著名的“曼哈顿工程”,动用10万之众,耗资20多亿美元,建设了包括原子反应堆在内的诸多重要科研设施,全部是以国家战时名义划拨,包括冶金实验室化学分部成为“艾姆斯国家实验室”雏形;冶金实验室成为“阿贡国家实验室”雏形;克林顿实验室成为后来著名的“橡树岭国家实验室”。
橡树岭国家实验室,是美国能源部所属的一个大型国家实验室,成立于1943年,最初是作为美国曼哈顿计划的一部分,以生产和分离铀和钚为主要目的建造的,原称克林顿实验室。2000年4月以后,由田纳西大学和Battelle纪念研究所共同管理。
——国家反应堆试验站,成为“爱达荷国家实验室”雏形;斯坦福直线加速器中心,时称“M工程”,是“斯坦福直线加速器国家实验室”雏形;国家加速器实验室,后来则成为“费米国家加速器实验室”等,以大型科研设备为载体的国家实验室雏形本身的建设,都是相对独立的“大科学实验工程”。
——联邦能源技术中心,也就是“国家能源技术实验室”雏形,其建设比较特殊,主要机构是基于美国政府的公共法、合成液体燃料法案建设而成。
美国国家实验室的形成,也可谓“时势造英雄”,战争催生了“曼哈顿工程”,成就了美国国家实验室的横空出世。
 
如果没有二战美国国家军事战略对原子弹的迫切需求,就没有美国国家实验室的诞生。
3. 发展阶段
 
——劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,建立之初,工作人员总数76人,每年国家预算350万美元,优势研究领域为核武器研制。
 
之后,借助核武器优势研究领域不断凝聚资源,赫伯特·约克担任实验室主任(1952—1958)结束时,研发人员已扩充至3600人,研发经费达到4000万美元,先进科研设施,包括IBM704大型计算机、90英寸的回旋加速器等。
在此基础上,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室进一步强化了在核武器研究领域内的优势。
 
经过60多年的发展,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室2016年的财政拨款为16.85亿美元,拥有“国家燃烧点火设备”(National Ignition Facility)等重大科学装置,已成为核武器研发领域最具实力的三大美国国家实验室之一。
同时,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室也发挥了其优势研究领域的辐射带动作用和资源拓展作用,不断形成新的研究领域和优势研究领域。
 
比如:20世纪50年代,实验室形成的高速运算研究领域;60年代,实验室研究领域向生物科学和环保领域的拓展;80年代,实验室成为研发多个并行处理科学计算技术的先驱;90年代,实验室涉足国家安全领域;2001年,因恐怖袭击事件的发生,实验室研究领域迅速拓展至反恐领域,并占据研究前沿。
 
同时,已有优势研究领域与新时期国家战略需求的结合,也催生了该实验室一系列新的研究领域,例如能源安全等。
 
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,是美国国家实验室最为成功的典型案例,主要是归功于实验室推陈出新不断创新的强大实力,更重要的是美国联邦长期的经费投入和支持!
——斯坦福加速器国家实验室,其在面对实验室大型仪器设备难以继续更新换代的境况下,采取了更改仪器设备用途的方法,将原本用于物理学研究的加速器,转变为高能的X射线源,供生物学家、化学家和材料学家确定分子和材料的结构压缩研究。这是斯坦福加速器国家实验室又一成功发展转型的典型案例。
——费米国家实验室,其选择了停止运行Tevatron,适度压缩粒子物理学研究力量,开拓宇宙学等新研究领域的方案。
 
费米国家实验室,粒子物理学研究领域逐渐失去优势的情况下,则进入新的宇宙学研究领域,开辟新的路径,也是国家实验室转型发展的成功案例。
美国国家实验室的历史转型,是历史使命的完成和转型,也是适应大科学时代发展变迁的需要和历史必然;同时,也是国家实验室运营和管理制度不断优化升级的时代要求。
4. 成熟阶段
 
成熟阶段的美国国家实验室,开始向社会主动标榜自己的远景、目标和价值观,或者社会使命和责任等精神层面的宣示,建立公众形象,以及良好的社会印象,发挥科技创新软实力的影响和作用,吸引更多的社会资源和顶尖人才。比如:
——洛斯·阿拉莫斯国家实验室,其愿景是“通过科学技术保护国家,促进世界稳定”,其具体实现目标是“研发相关科技和工程解决方案以确保美国核威慑的安全性和有效性;减少全球威胁;解决其他新兴国家的安全和能源挑战”,其核心价值观是“服务国家、行为道德、个人责任、工作精益求精、相互尊重、团队精神”。
——阿贡国家实验室,其愿景是“在这个具有挑战性的时代,寻求可持续能源、健康环境和国家安全的科学的解决方案”,其使命是“在阿贡国家实验室,我们的科学家和工程师一起创造新的知识,来解决国家科学和社会的需求”。
——普林斯顿等离子体物理实验室,其愿景“引领等离子体科学与技术的前沿,让安全、清洁、丰富的核聚变能源为全球提供动力”,其使命是“与世界各地的合作者共同开发核聚变能源,并进行等离子体科学和技术的前沿研究;同时在该领域为国家建立研发型企业,培养下一代等离子和核聚变领域科学家”。
不可否认,美国今天的100多个国家实验室,承载和吸引了成千上万的世界级大科学家,为美国的科技创新事业奋斗在世界的最前沿。
5. 升级阶段
 
科创竞争,为美国国家实验室提供了升级的动力,并通过其衍生研究领域的再造功能,突破实验室成熟后的僵化问题,最终实现国家实验室向更高层次发展的进阶升级。比如:
在欧盟建设大型离子加速器(large hadron collider,LHC)之前,费米国家实验室建造的质子—反质子对撞机Tevatron,使其在粒子物理研究方面始终处于领先地位,同时也会导致其研究领域长期局限在带电中微子领域内,精深研究是实验室文化的核心特征。
 
LHC建成后,费米国家实验室研究优势迅速削弱,加之来自斯坦福国家加速器实验室等其他国家实验室的竞争,迫使费米国家实验室不得不通过改弦更张,化解实验室发展和生存困境。
2011年费米国家实验室停止运行Tevatron,研究拓展方向为不带电中微子和宇宙学等研究领域,并重新确定了“高强度粒子束”“下一代离子对撞机”和“宇宙学前沿研究”三大领域,作为实验室未来研究的主要发展方向,研究领域多样化和生态性,重新构建了费米国家实验室文化的新内涵。
 
总之,费米国家实验室在竞争导引下,通过一系列再造措施,实验室向更高层级发展。
美国国家实验室,成熟也许就意味着衰老!在新的国际科技发展竞争的环境里,美国国家实验室,如果缺乏进一步创新的能力,也面临生存的危机。
 
转型升级发展,对所有创新的机构都是适用的最基本的原理。真应了中国的那句俗语:“改革找死,不改革等死!”
美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

美国实验室启示
1. 国家实验室,首先服务于国家使命
 
曼哈顿原子弹工程、导弹防御计划、世界互联网、新型清洁能源等重大发明创造,均来自美国国家实验室的研究。
 
美国强大的科技创新实力,不仅使美国成为全球经济最发达的国家,同时也使美国成为世界超级军事霸主,几乎在各个领域美国都成为了全世界最有影响力的国家。
2. 美国国家实验室的创新模式值得我们学习
 
美国国家实验室,是中国科技创新发展经验学习的典范。美国国家实验室,为美国成为全球最发达的科技强国立下了汗马功劳!
 
通过第二次世界大战,美国国防部、美国能源部等政府部门,“以举国体制,集中力量办大事”的模式,举美国国家之力,长期主导和支持美国国家实验室的建设和运营,开创了现代人类社会无数科技的伟大创造和发明。
实践证明,美国国家实验室是集成美国重大科技发展的战略体系、机制制度和平台载体等为一体的一种高效的国家支持科技创新的典型范例。
美国国家实验室是中国借鉴美国科技发展经验的最好模式。学习和借鉴美国国家实验室的创新经验和良好实践,定位中国的国家科技战略发展平台,抢占未来科技发展的的战略高地,尤其人工智能产业研发,实现国家主导下的合作创新机制,构筑共享科创平台,以奠定中国作为全世界人工智能产业高地的绝对优势和地位,为中国创造数万亿级新经济平台模式奠定基础。
3. 中国需要美国式的国家实验室平台
 
中国如果能够尽快建立中国的国家实验室研究体系,国家实验室是杠杆。
 
比如:撬动世界新一代人工智能产业发展高地的一臂之力,能够“四两拨千斤”,快速引领人工智能产业链和供应链,吸引更多的人才集聚和技术落户中国,形成人工智能产业在中国的良好生态系统和战略发展布局。中美科技战,致使大量在美华人科技精英人才回流,中国国家实验室将是吸引人才最好的载体和平台!
4. 真正的中国国家实验室只有6家
 
真正的国家实验室是担负国家战略使命,国家完全投资和建设的实验室。中国很多大学或机构,都称之为自己的实验室为国家实验室,但其实目前真正意义上的国家实验室只有6家。
 
具体如下:
 

美国如何利用“举国体制”建设国家实验室?

作者:黄增宏 上海核工程研究设计院

 

 

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