21世纪以来诺贝尔科学奖成果性质的技术科学趋向，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,技术科学论文,性质论文,成果论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1003～2053(2016)01～0004～09 在中国，人们一直关注本土科学家何时获得诺贝尔科学奖(以下简称诺奖①)，存在所谓“诺奖情结”。李约瑟和汤浅光朝两位著名科学史家认为，400多年来近代科学在欧洲的兴起及其向东方各国(主要是中国和日本)的传播，几乎是同步并行的[1][2]。我国近邻日本，1949年第1次获得诺奖，至2014年累计诺奖得主已有19位。1949年至今新中国成立已有66年，虽科学技术取得了巨大的成就，但仍未获得诺奖。如此反差，令国人“诺奖情结”愈加严重。那么，日本是以什么科研成果屡屡中标的呢，我国的差距又在哪里呢? 由于诺贝尔科学奖被公认为是彰显一个科技强国的重要标志之一，因此我国科技界一直在不懈地思考和追问：到底是什么样的研究成果才能获得诺奖?一种流行的观点是，重大的基础研究成果是诺奖成果的主流[3]。历史统计数据也表明，重大科学发现和重大科学理论成果的获奖比重确实要大于重大技术发明[4]。但问题在于，很多看似属于基础研究的成果其性质是难以明确界定的。比如2007年物理学奖得主彼得·格林贝格尔的获奖成果为“发现巨磁电阻效应”，该成果大约在1988年做出，但随即在1989年以传感器为题申请了德国和美国专利[5]。这表明该成果同时是科学家-工程师，科学-技术(工艺)密切配合的典范之作[5]。又如2005年生理学或医学奖得主巴里·马歇尔的获奖成果为“发现幽门螺杆菌及其在胃炎和胃溃疡中所起的作用”，该成果在1984年做出，但翌年也申请了美国药物专利。这些科学家的科学发现和技术试验工作是如此的浑然一体，以至于很难将其归入基础研究或基础科学范畴。 其实，按照诺贝尔先生的遗嘱[6]，规定“每年奖给在前一年中为人类做出杰出贡献的人”，其中前三项为科学奖：“一份奖给在物理学领域做出最重大的发现或发明的人；一份奖给做出最重大的化学发现或改进的人；一份奖给在生理学或医学领域做出最重大的发现的人”；后两项分别为文学奖与和平奖。本来物理学、化学和生理学都属于基础科学各学科，但在遗嘱中，诺贝尔用了几个“或”字，将基础科学延伸到应用、从发现拓展到发明、由科学扩张到技术，其本意在于科学奖规定只要是最重大的，无论是发现或发明，发现或改进，基础或应用都应当一视同仁，并不限于做出重大科学发现的基础科学领域。然而，诺贝尔在留下遗嘱时，对他关于物理学发现或发明、化学发现或改进的奖励意愿，没有人征询他的具体解释，他也没有留下如何处理科学和技术之间区别的说明；在执行遗嘱中，评奖机构最初理解为他更关心科学发现来做出选择和决定，因此科学家往往比工程师、技术专家或其他发明家更容易获奖[7]。遗嘱理解和执行上的偏颇，造成了人们的误解。我们注意到，近年来评奖机构对遗嘱的理解和执行已明显发生变化，正回归到诺贝尔遗嘱关于三大科学奖的本意。 依据诺贝尔遗嘱内容和近年来诺奖实际状况，笔者曾撰文指出诺贝尔科学奖的性质，正在从以往以基础科学为主越来越趋向于技术科学的性质，并做了初步的论证[8]。现拟进一步考察已经获得诺奖的科研成果状况，分析其实际上属于科学发现还是技术发明，来判断其获奖成果的科学性质。由于发现和发明通常分别以论文和专利来表征，而已获诺奖的得主都或多或少发表过高水平论文，但未必都申请获得过专利。基于此，本文将从2000年以来诺奖得主获得专利的数据出发，并按照钱学森的技术科学理论及科学技术体系的层次结构作为判据，反向分析和判别其获奖成果的科学性质，并力求清晰展示近年来诺奖的总体趋势，从而回答究竟是什么样的成果能获得诺奖的问题，以期能够为我国产出更多的诺奖级别成果提供对策建议。更重要的是希望通过对诺奖成果产出过程的解读，为我国科学发现和技术发明与创新工作的深入开展提供启示和参考。 1 21世纪以来诺奖得主的专利数据 1.1 数据采集和处理方法 21世纪以来，诺贝尔三大科学奖共产生了114位得主。利用美国专利商标局(USPTO)的数据库对诺奖得主的专利情况进行检索，分别得到表1、表2和表3。之所以选择美国专利商标局数据库作为检索对象，是因为美国作为世界上实力最强和专利制度最完备的国家，是重大发明最重要的申请目的国之一。美国专利数据库的数据可以追溯到1790年，这也是其他各国数据库所达不到的。如检索不到美国专利，则求其次检索欧洲专利数据库。因此，表中的数据只是可检索到专利数据的最低数量，虽不完备但基本可满足研究要求。为避免爱因斯坦式因业余爱好而进行发明专利申请的干扰，对诺奖得主的专利信息与其研究方向进行了手工一致性检验，以保证数据的准确性。当遇到高产发明人拥有多项相关专利时，取同类数据中较早申请的专利作为研究数据。 1.2 物理学奖专利数据 21世纪以来，物理学奖得主共40人，可检索到专利发明人20人，占总人数的一半；若从15个获奖年度看，有9个年度的获奖者申请了专利(表1)。
2000年的获奖者阿尔费罗夫和克勒默分别在1974年和1989年申请了半导体元器件和超晶格专利，基尔比在1959年申请了集成电路专利。2001年的获奖者康奈尔和威曼在1996年申请了一种用于凝聚态研究的激光传感器专利。2005年的获奖者霍尔和亨施于1985年申请了一种稳定频率的激光器专利。2006年的获奖者斯穆特1975年参与了一项在太空失重环境下相分离器的发明。2007年的获奖者格林贝格尔在1989年就向德国和美国专利局申请了专利，而费尔的专利则来的晚一些，出现在1999年。2009年的三位获奖者都进行了专利申请，高琨在1985年申请了光纤通信专利，史密斯和博伊尔的CCD专利申请于1971年，此二人凭此专利一起在2006年入选了美国发明家名人堂。2010年的两位获奖者海姆和诺沃肖洛夫在2012年分别申请了石墨烯聚合物和石墨烯电池专利。2012年获奖者阿罗什和维因兰德，分别在1968年和1978年申请了相关精密测量装置专利。2014年的获奖者赤崎勇和天野浩在1988年、中村修二在1992年都申请了发光二极管专利。 1.3 化学奖专利数据 21世纪以来，化学奖得主共36人，可检索到专利发明人31人，超过总人数的86％，15个获奖年度中只有2007年和2011年没有检索到专利申请(表2)。
2000年的获奖者白川英树于1974年申请了导电聚合物催化剂专利，黑格和麦克德尔米德在1976年申请了导电聚合材料制备专利，三人还于1978年合作申请了P型导电聚合物专利。2001年的获奖者诺尔斯在1974年、夏普莱斯在1988年申请了手性催化剂专利，野依良治也于1974年开始申请化合物专利。2002年的获奖者芬恩于1983年、维特里希于1998年、田中耕一于2005年分别申请了质谱仪专利。2003年的获奖者阿格雷于1995年、麦金农于1999年分别申请了水通道蛋白专利。2004年的获奖者切哈诺沃和赫什科分别于1993年和1997年申请了泛素载体酶和泛素载体多肽专利。2005年的三位得奖者肖万于1967年、格拉布于1978年和施罗克于1978年开始，都申请了大量的化学方法和物质专利。2006年的获奖者科恩伯格于1982年申请了分子结晶技术专利。2008年的获奖者查尔菲和钱永健1993年和1994年分别申请了利用和修改绿色荧光蛋白的专利。2009年的获奖者施泰茨于2000年申请了tRNA合成酶专利，拉马克里希南2001年申请了核糖体蛋白筛选方法专利，约纳特于2009年申请了核糖体晶体专利。2010年的获奖者赫克于1974年申请了钯催化有机物制备专利，根岸英一于1997年申请了锆催化专利。2012年的获奖者莱夫科维茨于1993年申请了蛋白偶联体拮抗剂专利，卡比尔卡于1997年申请了G蛋白偶联型受体化合物专利。2013年的获奖者卡普莱斯于1995年申请了抗病毒剂的结构化设计专利，瓦谢尔于2010年申请了蛋白质的计算机辅助设计专利。2014年的获奖者莫尔纳尔于1985年申请了超声波调制光谱检测专利，白兹格于1989年申请了光学显微镜专利，赫尔于1995年申请了光学测定装置专利。 1.4 生理学或医学奖专利数据 21世纪以来，生理学或医学奖得主共38人，可检索到专利发明人25人，占总人数的66％；除2014年外，14个年度得获奖者均申请了专利(表3)。
2000年的获奖者卡尔森从1971年开始申请抗抑郁药物专利，格林加德于1987年申请了精神疾病诊断专利，坎德尔于1996年申请了神经元退化测度专利。2001年获奖者哈特韦尔于1994年申请了细胞周期检验点基因专利。2002年获奖者布伦纳从1988年开始申请细胞研究方法专利，目前拥有80项相关专利。2003年的两位获奖者，曼斯菲尔德于1977年申请了核磁共振装置专利，劳特伯尔1990年申请了磁共振谱专利。2004年的获奖者阿克塞尔于1989年申请了5HT受体专利，这种克隆表达方法是其嗅觉研究的基础方法。2005年的获奖者马歇尔于1985年申请了胃肠道疾病诊断的方法专利。2006年的两位获奖者法厄和梅洛于1998年共同申请了基因表达的靶向抑制专利。2007年的获奖者埃文斯于1991年申请了多功能干细胞的培养专利，史密斯1992年申请了同源重组万能细胞专利，卡佩奇于1993年申请了靶细胞正负选择选择方法专利。2008年的获奖者西诺西和蒙塔尼这对师生于1985年共同申请了HIV(艾滋病)诊断专利，豪森于1989年申请了HPV(人乳头状病毒)隔离方法专利。2009年的获奖者布莱克本1993年申请了端粒酶活性测定专利，绍斯塔克于1995年开始申请核酶相关专利，格雷德1999年申请了端粒酶活性抑制专利。2011年获奖者巴特勒1994年申请了巨噬细胞源性炎症的测试方法，霍尔曼1997年申请了抗菌肽专利，斯坦曼1994年申请了树突细胞抗病毒专利。2012年的获奖者山中伸弥于2005年申请了胚胎干细胞相关专利。2013年的获奖者罗斯曼1998年申请了囊泡检测装置专利。 2 诺奖成果属于技术科学性质的判断依据 由表1、表2和表3的数据测算，21世纪以来诺奖得主中专利发明人的比率已经达到67％。对于申请和取得发明专利的诺奖成果，恐再难将这些诺奖成果视为基础科学范畴。之所以将是否有专利申请作为判断依据，是因为世界各国的专利法一般都规定了自然规律的发现不能直接申请专利，而只能作为科学发现来保护。而利用自然规律形成新的技术原理的方法和产品，则有资格成为专利客体。如前文提到的巨磁电阻传感器专利，其技术原理来自于巨磁电阻效应的发现。巨磁电阻效应本身无法申请专利，但基于巨磁电阻效应的元器件的设计则满足了可专利性的条件。当然，是否有专利申请也不是唯一判据，因为历史上有不少重大发明因其发明人的观念而未转化为专利形式，比如弗莱明的青霉素。 但同时需要注意的是，诺奖得主基于其科研成果所申请的发明专利，与一般的面向工程技术实践的专利有着较为明显的区别。这些包含着最新科学发现的专利往往带有非常“原始”、“基础”甚至“粗糙”的特性，一般难以直接转化为产品。比如，巨磁电阻效应得以应用的真正实现，是发生在IBM的帕金于1993年对格伦贝格尔的专利进行改进之后。1994年，IBM公司研制成功了基于巨磁阻效应的读出磁头，1997年推向市场，这距离格林贝格尔的专利申请已经过去了近十年之久。虽然无法直接转化为产品，但这些非常“原始”和“粗糙”的专利却往往是那些直接面向应用的改进型专利的知识基础。表现在专利文献中，帕金1993年申请的专利直接引用了格林贝格尔1989年的专利，这同时也体现出两位诺奖得主工作的开创性和带动性。 既不严格属于基础科学领域，又与工程技术实践有一定的距离，那么应该如何界定诺奖成果以及其产出的发明专利的性质呢?要解答这个问题，有必要按照钱学森的技术科学理论[9]和科学技术体系学的思想[10]，分析自然科学部门的层次结构：“马克思主义哲学-自然辩证法-基础科学-技术科学-工程科学-工程技术活动”，其中“基础科学-技术科学-工程科学”是相邻的三个层次，其抽象性、普遍性渐次减弱，而实践性、特殊性逐渐增强。三者之间，前者都是后者的理论基础，后者都是前者的具体应用。基础科学是关于自然界物质运动形式的普遍规律和理论的学问；技术科学是关于人工自然过程的一般机制和原理的学问；工程科学是关于设计和建造特定人工自然过程的技术手段与工艺方法的学问，是关于改造自然的各种专门技术的知识体系[11]。从表4可以看出三者的区别和联系。基础科学的成果形式一般以论文的形式展现，其内容为科学发现和科学理论为主，而技术科学的成果形式之一就是技术原理以及根据此原理所形成的发明专利。 由于20世纪自然科学基础理论的重大成就成为现代技术发明及创新的理论源泉，人们往往认为只有基础科学才具有原始创新的功能，实际上是一个误区。因为这忽略了基础科学成果，正是通过技术科学的中介作用，才得以实现技术的突破与创新。技术科学属于应用导向的基础研究和基础理论导向的应用研究并存的科学领域，其成果一般为人工自然规律和工程技术原理。如果有合适的社会环境和基础条件，可以在把握技术科学原理的基础上取得前沿技术的重大突破、原创性发明，并进而实现前沿技术的原始创新。遵循上述逻辑，可以将诺奖得主们发明专利的产出过程描述为图1所示。诺奖得主们遵循基础科学的基本规律，开展了以认知和应用为统一目标的技术科学研究，基于探索出的新技术原理形成了发明专利。这些发明专利经过改进和工程技术试验，最终服务于社会需求。这个过程(从左至右)，与直接面向工程实践所进行的技术改进过程(从右至左)是有所区别的。这个区别，正是巴斯德象限和爱迪生象限的区别[12]。因此，这种通过基础研究产生的技术原理所形成的专利被称之为“巴斯德式”专利[13]。这种专利属于技术科学的表现形式之一，本质上就是“基于技术科学的发明专利”。 综合上述分析，可形成诺奖成果性质的基本判断依据：如果诺奖得主在连续的科研工作中，产出了“基于技术科学的发明专利”，即可认定包含重大发现的研究成果性质属于技术科学范畴。当然，在具体判断过程中要结合具体情况进行综合分析，以保证判断结果的合理性和准确性。
图1 基于技术科学的发明专利的产出过程 3 基于专利数据的诺奖成果性质分析 如前所述，按照诺贝尔的遗嘱，其设奖的初衷，不只关注纯基础研究成果。但从历史情况来看，纯基础研究成果无疑成为了获奖成果的主流。因此，当2000年的物理学奖分别颁给了俄罗斯科学家阿尔费罗夫、美国科学家克勒默和基尔比时，引发了巨大的争议[14]。时至今日，由于三位科学家在信息技术科学领域所起到的巨大推动作用，争议早已平息。但三位科学家所引发的技术科学潮流，却愈加汹涌。按照上文所提出的判断依据，对诺奖得主的工作进行再次考察，对其成果性质进行判断。 从物理学领域来看，2000年的诺奖成果无疑是一种人工自然的规律和工程技术原理，属于技术科学范畴。在研究过程中形成了“粗糙”实验装置和“原始”专利，属于“基于技术科学的发明专利”。2001年的凝聚态研究虽然也产出了专利，但该专利是为获得凝聚态而来，总体目的还是认知而非应用，因此当年成果依旧归于基础科学范畴。类似的情况还出现在2006年，斯穆特的发明专利也是为探索宇宙服务的。依据上述原则对物理学奖的成果性质进行判断，由表1的内容可以形成表5。该表显示，除去旨在探测宏观宇宙和微观粒子的研究外，多数研究都兼具认知和应用两种目的。从数据来看，21世纪以来物理学奖中，技术科学和基础科学成果基本平分秋色，这意味着物理学成果正在不断增强应用特质，会对人类社会发展产生更多更直接的作用。 从化学领域来看，大抵可按照与物理学相同的规则进行判断。21世纪以来15年的获奖成果中，只有2007年的表面化学和2011年的准晶体发现没有检索到相关专利数据。但正如上文所提到的那样，不能仅依靠专利数据作为判断依据。表面化学通常被视为一门基础科学，但埃特尔的工作是由工业生产中物质表面发生的物理化学现象所引发，符合应用引发的基础研究的范式，因此仍旧将其归于技术科学范畴。按照上述原则，从表2的内容做出化学奖成果性质的判别如表6所示。该表显示，技术科学成果已经成为21世纪以来化学领域诺奖成果的主流。
从生理学或医学领域来看，虽然获奖成果多数都被归为“发现”，但大都产出了基于技术科学的发明专利，即在发现基础上取得药物专利或检测诊断专利而在医学上得到应用。15年中，只有2010、2014两年未检索到专利数据，但2010年爱德华兹的试管婴儿技术早已在临床实现并被广泛使用，可归为技术科学范畴。2004年的嗅觉研究中虽然也使用了相应的专利技术，不过其总体仍属于基础科学范畴。依据上述表述，结合表3内容对生理学或医学奖成果性质进行判断，如表7所示。表7显示，21世纪以来生理学或医学奖领域的成果也多数归于技术科学范畴。另外一个佐证是，近年来获得诺奖的拉斯克基础医学奖得主正在不断增多，他们的研究正在被归入转化医学的范畴，这与技术科学存在着相当程度的一致性。 4 结论与启示 尽管物理学、化学和生理学本身属于基础科学，依然存在着向基础研究前沿不断深化发展的领域和成果，然而其分化、交叉、拓展的趋势不断加剧，出现了更多更广泛的向技术科学、工程技术延伸转化的新领域和新成果。考察和分析2000年以来全部诺贝尔科学奖得主的专利数据，按照技术科学的中介特征和基于技术科学的发明专利作为诺奖成果的性质判据，表明物理学领域诺奖成果各有一半属于基础科学和技术科学的性质，化学领域、生理学或医学领域的诺奖成果性质大多数属于技术科学(表8)。以往将诺贝尔科学奖视为基础研究或基础科学成果，纯属误解，既不符合诺贝尔遗嘱设立科学奖的初衷，也不符合诺奖具体成果的实际。
让我们回到本文引言所述的日本诺奖情况，依照上述结论和同样判据来分析和判别日本诺奖的性质，亦可得到重要启示。1949年日本物理学家汤川秀树获得日本第一个诺奖，20世纪共5人获得诺贝尔科学奖，除1971年江崎玲于奈获诺奖的成果为技术科学性质外，其余4人诺奖成果都属于基础科学。21世纪以来日本共14人获诺贝尔科学奖，如同“井喷”，几乎年均1人；前两个5年均各有4人获诺奖并各有3人获得专利，最近5年有6人获奖其中5人获得专利；总计共11人获奖成果属于技术科学性质，占总数的79％(见表8)。追索2000年以来日本涌现如此多诺奖得主的缘由，在于其科学立国的科教体制和技术立国的国家创新战略并驾齐驱，尤其高水平的研究型大学、国民教育和国民素质，构成科学技术的坚实基础。1995年起日本将“科学技术创造立国”作为基本国策，重视基础科学、开发基础技术。随后在2001年，日本出台《第二个科学技术基本计划》，明确提出要在21世纪头50年里培养30个诺贝尔奖获得者。这份计划提出了几个重点方向：基础研究、与国家和社会发展密切相关的课题、新领域的跨学科融合。人们过去评价日本经济崛起认为其主要靠技术引进与开发，忽视基础研究，而今评议日本诺奖“井喷”现象时又认为全在于重视基础科学，却忽视了其开发基础技术。这两种观点都存在偏颇。 就我国科学技术发展的总体战略而言，无疑我们应当在现代科学技术体系各个层次全面布局、协调发展，而重点应当是实施创新驱动发展战略；然而从诺奖近年来的总体态势和日本的成功经验来看，关键环节都应该放在技术科学前沿领域，把理论导向的应用研究和应用导向的基础研究结合起来，发挥技术科学在科学技术层次中的中介地位和建设科技强国中的战略作用。一方面可以在充分利用国内外现有基础研究成果的基础上，进行既有理论背景又有应用目的应用技术研究，占领前沿技术的制高点，另一方面可以针对工程技术的共同理论基础开展研究，在把握技术科学原理的基础上取得前沿技术的重大突破、原创性发明，并进而实现前沿技术的原始创新，从而解决创新驱动的原动力问题。因此，有必要将我国已经取得的重大基础科学成果向前推进至技术科学层次，获取具有自主知识产权的原始创新。比如可基于反常霍尔效应提出新元器件制造方法，可基于铁基超导研究提出新材料的制备方法等等，这样就可能取得具有基础科学性质和技术科学性质的诺贝尔科学奖级别的研究成果。虽然冲击诺奖从来都不应是个人科研目的和国家科技发展目标，但获得诺奖将是水到渠成的结果②。 注释： ①本文只讨论诺贝尔物理学、化学、生理学或医学三大科学奖，不涉及文学奖、和平奖和经济学奖情况。 ②2015年诺奖已经揭晓，保罗·莫德里奇、阿齐兹·桑贾尔以及大村智皆有专利申请。青蒿素因各种原因未申请专利，但依然可归于技术科学成果范畴。
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