探讨科技发展线性模式佯谬的解决，本文主要内容关键词为：科技发展论文,线性论文,模式论文，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。
中图分类号：G301 文献标识码：A
科技发展的线性模型源自第二次世界大战时美国科学研究与开发办公室主任万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush，1890—1974）的《科学——无止境的前沿》报告。布什认为，基础研究一旦受命于不成熟的实际应用目标，就会断送它的生命力。因此在基础研究与应用研究的二元矛盾对立的一维谱线中，其静态形式的范式告诉我们，基础研究的实施不要考虑应用结果[1]。同时，布什的“基础研究是技术进步的先驱”表达了动态“线性模式”的思想，即基础研究引起应用研究与开发，再依此创新一种产品或是工艺，转到生产或是经营[1]。布什提出的观点成为战后几十年美国国家科技政策的基础，并影响了许多国家。贝尔纳（J.D.Bernal）就认为：“电和磁的故事在历史上提供了第一个实例，把一套纯粹科学性的实验和理论转变为大规模的工业。电工业必然是彻头彻尾科学性的”[2]。
1 科技发展线性模式的佯谬
许多事实表明，科技发展的线性模式不符合实际情况。美国国家科学基金会研究了5项技术创新，磁带录音机、口服避孕药、电子显微镜、铁氧磁体及铸模隔离等，发现技术创新可能是以科学为基础的，而不是依赖于基础科学的进步[1]。
对此，人们提出了许多解决思想和方法，如里普的科学与技术协同进化的“双分支科技发展模式”等[3]。其中，司托克斯在他的《基础科学与技术创新》一书中提出所谓的科技发展线性模式的佯谬观点，即“科学技术范式的观点至今为止偏离了它们的真正关系，但却又非常地盛行”[1]。为此，司托克斯提出了科学研究四象限模式。它是指在科学研究中，存在纯基础研究的波尔象限，纯应用研究的爱迪生象限以及由应用引起的基础研究的巴斯德象限[1]。其中，19世纪微生物学的创立者，法国科学家巴斯德的许多研究内容如“巴氏灭菌法”工艺试验，培养菌株使病人产生免疫力的试验，都不可思议的远离应用目标，但又从未进行过非应用的研究，尽管它开辟了科学的全新研究领域[1]。
通过巴斯德象限的分析，司托克斯认为：“更现实的科学技术关系的观点，必须考虑到应用引起的基础研究在科学认识和技术知识的半自动轨道联系中的重要作用；……应用引起的基础研究的议事日程，只能通过研究前景的判断和社会需求的判断相结合来确立”[1]。司托克斯的四象限模式理论的价值在于，通过“应用引起的基础研究”试图调和线性模式的二元对立，同时也暗示了技术并不简单是科学的应用。
然而，爱因斯坦“光电效应”的社会化过程，以及“勇气号”火星探测工程[4] 却再一次表现出不需要“应用”引起的基础研究的重要性。这表明，司托克斯的理论还没有完全解决线性模式的佯谬。问题出在哪里了？
“光电效应”的社会化这一科技案例可能给我们一些启发。
2 “光电效应”社会化的“五化”过程
光电效应（photoemission）是指光照在金属上使电子从金属中飞出的现象，这一现象早在1839年就被法国人注意到了。如果从光电效应被发现一直到被应用在我们的日常生活之中，算起来起码有150年的时间，而光电效应从爱因斯坦的科学解释到进入“寻常百姓家”，也用了近百年的时间。在这较为漫长的时间里，它都经历了哪些过程？在这些过程中人们又都做了哪些工作？
2.1 自然现象科学化——光电效应的科学解释
为了解决黑体辐射实验和理论的不一致，1900年，普朗克指出，热物体会以离散量发出被称为“量子”的特定频率（颜色）的光。普朗克导出著名的常数h，由此解出了描述“黑体辐射”问题的方程。然而，在光电效应中，存在一个令人困惑的问题，即虽然强光可以将更多的电子从金属中击出，但击出的自由电子的速度却与光亮度无关，改变电子速度的唯一方法是用不同颜色即频率的光[5]。
为了解释这一现象，爱因斯坦在1905年3月完成的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》论文中[6]，指出h不仅仅是一个数学上的补丁，他提出光并不是连续流动的能量流，而是以波包的形式传播。每个光粒子即光子的能量决定于它的频率和h的乘积。这一解释被后来的实验证实，它为构成量子力学基础的光的波粒二象性获得广泛承认铺平道路。由此，爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖[5]。
1917年，爱因斯坦在其论文《论辐射的量子性》中，认识到如果原子吸收了光，它们可以变为激发态，并以发光的形式从受激高能级回到低能级。他推测一定存在第三种作用，即光子可以诱导受激原子发出另外一个光子，这两个光子可以激发另外两个原子放出光子，以此类推。这一结果将会导致出现“粒子数反转”意指受激原子多于未受激原子，使光子发射聚集成强光束。由于爱因斯坦的计算表明在自然条件下受激辐射很少发生[5]，因此，在以后的近30年的时间里，受激辐射作用并没有引起人们的注意。从中我们看到：
（1）对光电效应的普朗克常数做出科学解释的背景，是许多人的实验和理论创新的结果。其中包括涉及黑体辐射试验的适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式，以及为解决该问题的普朗克公式。
（2）爱因斯坦以数学为方法，在超越麦克斯韦方程中，提出了光量子的概念，从而构成对经典力学的革命性创新。
（3）爱因斯坦对受激辐射的科学说明具有自然的、单纯的、理论科学的特点，他对光电效应的研究不仅在其内容上与社会环境无关，就是在目的上也与社会需求无关。尤其值得注意的是，在爱因斯坦看来，受激辐射没有实际应用价值。
2.2 科学理论技术化——汤斯的共振腔
科学理论技术化是指在一定理论科学的启发下，通过结合其他知识，尤其是结合工程知识产生新的、能在经验世界中发挥作用的科学认识、技术原理、思想或方法过程。
美国物理学家查尔斯·汤斯（Charles H.Townes,1915—）在第二次世界大战时期，参与研制雷达制导轰炸系统，在研究微波与物质的相互作用问题中提出了分子光谱学，并获得过该项技术的专利。汤斯和他的同事们于1954年通过共振腔实现了光的相干性，即获得了激光。由于汤斯对激光研究的贡献，他获得1964年的诺贝尔物理学奖。汤斯对科学的贡献不是偶然的。
首先，1951年汤斯提出微波激射器的观念，即认识到通过某个装置可以使受激发射获得放大的微波[7]。它的原理就是在共振腔里面设置两个镜子（倍增极），这样光就可以在里面来回反射，强度逐渐增强，直到从一个镜面射出激光[5]。它实现了爱因斯坦未曾实现的目标“粒子反转”，从而找到了使光子发射聚集成强光束的方法。
其次，汤斯通过技术手段即共振腔，获得了具有实用价值的受激辐射，这时的受激辐射，已经不是爱因斯坦的受激辐射了，它是一种人工化了的受激辐射即激光。也正是完成了这一过程，才使光电效应具有了在经验世界中应用的可能性。
再次，在物理科学中，由于受激辐射可以很好地被其他物理效应确定，放大效应没有被科学家们认真对待。而工程师对于振荡器有着相当的了解，但并不熟悉量子力学的概念。汤斯之成功，很大的原因在于他跨越了物理学和工程的学科界限，把通常不会联在一起的两个概念联在一起[8]。
最后，这是一个社会因素对科学进步起促进作用的成功案例。第二次世界大战期间对雷达迫切需求的这一社会因素，引起了科学家对光的相干性的关注。对此，默顿在其《十七世纪英格兰的科学技术与社会》一书中揭示了这个意思[9]。
2.3 技术理念工程化——梅曼等人的工业研究实验室
技术理念工程化是指将基于科学理论技术化基础上获得的科学思想、技术原理，通过一系列的试验，物化为一系列设备过程，由此可稳定实现新技术下的功能。应该说，这一过程说来容易，操作起来极其复杂和困难。
汤斯在1954年利用共振腔获得的激光，仅仅是一个新技术理念的实现，它离技术的成熟和完善还有一段距离。从1960年5月16日，Hughes研究实验室的T.H.Maiman造出第一台红宝石激光器到同一年底由贝尔实验室Javan,Bennett和Herriortt建造成功第一个连续运行的电泵浦的氦氖激光器，人们获得了不同类型的激光器，这样，在经过许多人的共同努力下，实现了汤斯等人在1958年提出的理论设想[8]。
从钾蒸汽到红宝石，从共振腔到泵浦源，在6年多一点的时间里，虽然激光技术在工业研究实验室里走完了从技术理念到具有实用价值的工程的物化过程，但由于对激光性能认识的局限性，以及和其他技术结合的复杂性，在以后的工程化过程中，却遇到了相当大的困难。有关资料可参见[8]。
但不管怎么说，在这一阶段，爱因斯坦的光电效应在梅曼等人的努力下，已经从自然科学踏上了工程科学之路。
2.4 工程专业集成化——半导体数码相机
工程专业集成化是指为了实现“造物”的目的，在技术理念工程化基础上，所形成的物化工程系统，包括工程科学知识和已有的各专业工程系统集成或称有机结合的过程，它的结果是形成可以生产一定专业产品的包括机器设备、操作程序在内的工艺流程的物化系统。
汤斯在1964年11月的诺贝尔奖演讲中预测了激光在不同领域的应用，即雷达、外科手术、焊接、测量、显微镜等科技领域方面的应用[10]。可见，激光技术本身是一种通用技术，其社会价值在于与其他成熟技术的结合。
中国科学院研究生院李伯聪教授在他的《工程哲学引论》一书中谈到操作和程序模式时指出：“我们可以把‘操作程序模式’理解为在一个车间、一个工厂或一个公司的‘水平’上将各种操作组成一个系统的‘整体特性’或‘系统特性’，它是许多单元操作和特定类型的程序的有机的‘统一体’”[11]。以数码相机为例。
数码相机就是利用光学原理和光电效用原理，采用激光技术、半导体技术、计算机技术等多学科知识的高科技产品。它是用电荷耦合器的半导体材料来记录图片，简称CCD。CCD将各个元件的信息传送到数模转换器上，数模转换器将数据编码后送到缓存中，然后通过数字信号处理器读取这些数字编码，并将这些编码中所包含的影像信息存放到存储器中，此时就可以看到一张完整的数码图片了。数码相机的工作原理如图1所示[12]。
图1 数码相机的工作原理
应该指出，由于激光技术和其他技术结合的复杂性，这一过程也相当困难。现在，数码相机已成为我们丰富日常生活的消费品，但它作为高科技产品所包含的多项技术却不为人所知。人们在赞叹它所具有的卓越功能的时候，在享受由高科技带来的新的生活方式的时候，不应该忘记，没有工程的作用，这种多技术的综合，也就是我们所说的技术创新将不可能完成。同样，如果没有工程，我们对激光、半导体、计算机的科学认识就无法完成和进一步完善。
2.5 集成系统产业化——数码产品行业
集成系统产业化是资本所有者通过社会性管理等手段，聚集各类资源包括原材料、金融、设备、劳动力、科学、技术、工程等要素，扩大与工程专业集成化基础上的具有一定生产能力的工程系统规模，成批量生产满足符合社会需求的人工物的过程，如生产数码相机的工业企业。
激光的科研和开发领域主要有武器，受控聚变和半导体三个方面，但其中，由于半导体激光器体积小，制造成本低，电压和能量需求低；效率高，与半导体集成电路符合好等特点，产生了光纤通讯；激光印刷；视听光盘，数据储存和条形码读取等许多新的工业部门，是“真正意义上的规模生产的激光器”[8]。在与半导体技术的结合中，光电效应才真正发挥了它所蕴藏的巨大社会力量。
这时数码相机这一人工物，已经通过集成工程产业化实现了大批量的商品化。光电效应对社会产生广泛的影响，恰恰是这个阶段。正是在这一环节下产生的人工物，在微观层次方面改变了人们的生活方式，在中观层次方面创新了企业的生产方式，从而在宏观方面表现为社会变迁。
应该说，光电效应的知识对解释我们的生活世界是无效的。只有经过自然现象科学化，科学理论技术化，技术理念工程化、工程专业集成化以及集成系统产业化等一系列的社会化过程，光电效应才能够影响经验世界，两种文化的沟通才能开始，我们对光电效应的科学认识才能够深入。
3 现代科学研究的工程性
在本案例中，汤斯的科学理论技术化，梅曼的技术理念工程化，不是爱因斯坦的“光电效应”逻辑推演的结果。科研人员通过工程，以及工程所产生的人工物，不仅实现了光电效应的人工化、产业化和社会化，而且使人们对光电效应的科学知识有了更深刻的认识。
这要归功于具有“造物”指向的工程。正是由于具有“造物”这一指向，工程具有了实践性和应用性。这里的“造物”就是指制造“人工物”，而人工物的“物质属性”是它的一个基本概念[13]。同时，工程也具有社会属性，即工程的实施主体具有社会性，工程的受用对象（作用）也具有社会性[14]。
由于工程所具有的物质性、社会性、实践性和应用性，因此，将工程概念引入到科技发展模式中，就打破了基础研究与应用研究的线性维度，同时也消解了科学与技术的“动态线性”关系。
今天的科学研究与20世纪初以前的科学研究有本质的区别。这是因为，一方面，现代科研手段已经工程化了，如北京正负电子对撞机、哈勃太空望远镜、“勇气号”火星探测工程等。科学研究手段的工程化使我们能够利用科学探索的附加价值，比如“勇气号”火星探测工程不仅可以丰富天文学、而且可以促进地质科技、信息科技、控制科技、遥感、遥控技术的发展和进步等等。另一方面，科学研究的一些对象也已经不是纯自然的，如纳米材料、通讯、生物工程等已经被人工化了。而对人工物的机理性、理论性研究无疑将促进对该人工物的应用。许多事实表明，现代科学技术已经成为工程科学和工程技术了。
长期以来，工程被遮蔽在科学、技术、科学实验，工业试验室、工厂之中而被人忽视。随着技术哲学和工程哲学的兴起，工程概念已经引起人们的重视。
G.F.Rogers在《The Nature of Engineering》一书中分析道：“engineer”来源于拉丁文的“ingeniatorem”。意思是指人在设计或发明中的聪明、机灵、独创性。它原来通常指那些擅长建造军事装备和要塞、筑城术的人，在早期，工程师和建筑师是分不清的[15]。
在个人知识方面，工程师比技术专家掌握得多。一名负责整个或部分项目的工程师可以利用一些不同的技术专家为他服务，就像利用一些不同专业的工匠一样。然而，另一方面，技术看上去要比工程宽泛，这是因为很多技术不能完全被熟知的工程目录所涵盖。其中技术与一些工艺相关，如造纸，食品加工，制药等[15]。
在谈到科学家与工程师的区别时，他指出：“科学家观察世界并且试图解释他所看到的东西，而工程师观察世界并且试图提供他所看到缺少的东西”[15]。
本案例揭示出，在科学、技术与社会之间，存在一个被长期忽视而又十分重要的概念，那就是工程。恰恰是具有“造物”指向的工程，不仅使基础研究具有了实践性和应用性，而且为科学与技术提供了具有物质性和社会性的互动舞台，这一概念的引入，有助于消解科技发展线性模式的佯谬。
收稿日期：2006—02—27
修回日期：2006—04—18