浅析美国国家安全与基础科学研究

  奥巴马执政8年期间曾经出台了两部《美国国家安全战略》，在这两部安全战略中，都将可创新作为一个重点进行描述，这主要是对美国近年来国防预算紧缩造成科技发展投资不足的一个回应，表达了美国政府对于当前全球科学技术竞争加剧的一种危机感。当前美国霸权体系的形成，与美国这种居安思危的认识是紧密关联的。而在美国众多应用型科技成果的背后，是美国对基础研究的重视和投入。

  本文仅仅是选择这样一个视角，来谈论基础研究之于美国国家安全的作用，但仅仅是一个视角的选择，还没形成系统性的研究，这也是我们今后一段时间要予以深入的一个课题。

  一直以来，美国国防和国家安全部门对科学研究予以特别的重视，并给予了全力支持，这些可以一直追溯到二战期间甚至更久远的历史，不过因为美国国防部成立在二战以后，因此支撑本文观点的主要案例来源于二战期间及以后。毋庸置疑，科技在美国在二战及以后历次武装冲突中都发挥了异乎寻常的作用，并通过科技的力量不断颠覆着战争的理念和形态。二战期间美国在雷达、加密技术和疾病防控等基础研究上的成果，对二战的走向产生了巨大的影响，从而催生了一大批专门的基础研究机构。

  1945年，V. Bush的报告《科学、无尽的前沿》对此有特别深入的论述，他特别强调了政府投资在基础研究，特别是长久持续性研究方面的作用。在他的推动下，美国先后成立了著名的美国海军研究办公室、美国空军科学研究办公室和陆军研究办公室，美国国家科学基金会也要受益于这份报告。

  美国国防部成立以后，美国国防科技体系全力支持基础研究，产生了大量颠覆性科学和工程发现，在军事上产生了巨大影响，包括1950年代的激光、原子钟和卡尔曼滤波器；1960年代的全球定位系统、电脑鼠标、快速傅里叶变换、维特比算法; 1970年代的约瑟夫逊结、夜视技术和机载激光；1980年代的砷化镓电子和高效的喷气发动机压缩机叶片; 1990年代的化学药剂去污、量子级联激光器，以及联合精确空投系统；当前公众仍然在热议的石墨烯衍生品、物理上受限的图象消旋、化学和生物检测的新方法和灵活的电子产品。

  三十多年以来，国防部已经赞助了超冷原子气体的尖端研究，出现了许多科学上的突破、全新的研究领域(如量子信息科学)、大量高价值的应用领域，并获得了五个诺贝尔奖。简并量子气体也通过量子模拟为新材料的设计提供了新的见解。典型产儿，玻色-爱因斯坦凝聚，是激光的一种物质——波模拟。超冷气体使得传感器大大地改善 (陀螺仪、加速度计和场传感器)，并使得时间和频率的测量高度精确。例如，这导致了对美国海军天文台的主时钟的数量级改进。它还使得惯性导航系统(如此处的原型图)不再依靠GPS。

  美国国家安全领域能取得这些成就，除了设立机构以外，对基础科学人才的培养同样功不可没，这对美国的整体教育水平和整个国家的长远发展都有非消极作用。目前，美国国防部每年支持约5000名本科生、5000多名研究生，和数千名博士后研究人员。

  美国国防部支持并开展基础研究的目的是探索基础性科技知识和美国国家安全之间潜在的相关性，而且国防部支持的往往都是一些小生境领域，普通国民教育不重视获无力支持，从而建设“美国国防未来能够承付的新的防务系统，从而让国家不会受到来自其他几个国家的技术突袭”。这些研究带来了思考自然界的新方法、造就了一批富有创造力的科学家和工程师，他们了解基础科学、对国家安全负有使命感，不断提出科学和国家方面的意见和建议。他们不仅是在促进本领域的科技发展，也带动了全世界的科学技术进步。美国前国防部长帕内塔就曾经明白准确地提出：“技术开发和动态威胁环境的趋势同时加速，决定了我们一定要通过保护我们对未来能力发展的投资来保持我们的优势”。

  美国国防基础研究关注的是国家安全，这些事关国家安全的基础研究项目对整个国家的经济、科技和社会持续健康发展都发挥了非消极作用，包括经济稳步的增长、创造就业、中小企业的繁荣-、教育、国家威望、以及促进良好意愿的国际科学合作。特别是一些基础研究成果向其他几个国家的安全领域延伸尤为引人关注。国防部支持多个海外研究联络处，并与韩国和中国台湾地区创建了联合项目。国防科学委员会一直强烈地强调对这些和其他国际研究合作的需求。

  正如奥巴马总统明确地表达的那样，“保持我们在研究和技术方面的领头羊，对美国的成功是至关重要的”。甚至有分析认为，美国人均收入增长高达85%可以归因于技术的进步。自二战以来，美国一直占据着世界科学和工程的领导地位，这也铸就了美国在全球经济的领导地位。这种领导地位的维持需要美国人民的努力，而保持美国国防实力需要美国经济的强大支持。

  基础研究支撑着技术进步。“基础研究意味着在科学和工程中的基础和应用研究，通常，基础研究的成果被发表并在科学界广泛共享，有别于专有研究，也不同于工业发展、设计、生产，和产品应用，通常其成果受限于私营企业或国家安全原因”。

  基础研究是指为了探索对现象和观察到的事实的基本特征的更全面的理解或知识而不考虑过程或产品具体应用的系统研究。

  应用研究是指为了获得确定满足公认的和具体的需求的方法所必需的理解或知识的系统研究。

  基础研究是指为了探索对现象和观察到的事实的基本特征的更全面的理解或知识而不考虑过程或产品具体应用的系统研究。

  应用研究是指为了获得确定满足公认的和具体的需求的方法所必需的理解或知识的系统研究。

  就像里根总统所观察到的那样，“尽管基础研究并不始于一个特定的实际目标，当你看到数年来的成果，它最终成为政府最实用的事情之一......主要行业，包括电视、通信和计算机行业，没有开始这基础研究，就没有它们在今天的发展”。激光、全球定位系统和隐形技术(等等)也是其他基于基础研究的科技进步。

  越来越多的人开始对科学和工程研究的重要性形成共识，奥巴马总统也说过：“我们一定要抓住每一个机会，我们一定要保持领先，咱们不可以让其他几个国家在未来的思想和技术比赛中获胜”。同样地，参议员约翰·洛克菲勒强调到，“毫无疑问，对科技、创新、我们的年轻人教育来投资是维护我们的祖国的全球领导力的关键。我们投入基础研究的钱，投入了解我们周围世界的钱，对现实世界大有影响”。众议员拉马尔·史密斯言简意赅地陈述了联邦政府支持基础研究的基础原理:“联邦政府对基础研究提供的资助份额最大。这是政府唯一适合的角色。这是因我们的联邦研究机构不必基于季度损益表做出投资决策。换句话说，政府投资的基础研究是我们经济体系的“种芽”。

  石墨烯是碳的一种形式，是一种新的多用途材料，它透明、超薄、超强，导热和导电性能极好，能够屏蔽气体扩散。 它能够适用于多种用途，从创造新材料到创新的电子设备，包括更高效的计算机、透明的触摸屏、重量轻的仪表板以及太用能电池板等等。它的发现者获得了2010年的诺贝尔物理奖。

  给石墨烯薄板中的每个碳原子连接一个氢原子，能够得到一种极好的电绝缘体，称为石墨烷（描述见后文）。这一化学反应是可逆的。这两种材料的组合开始了量子物理学研究的许多基本方面，在军事方面也有一些相关性很高的新用途。

  索洛（Solow）等人描述的经济稳步的增长需要对研究活动给予占国内生产总值 （GDP）特殊的比例的稳定支持。如果研究经费跟不上国内生产总值（GDP）的增长，不可避免地会对未来的创新和国内生产总值（GDP）的增长产生一定的影响。值得一提的是，美国联邦政府对基础科学技术研究方面的支持从1970年到1995持续下降，此后涨跌剧烈，参看图1 。

  研究经费降低的全部影响不会立即显现，一般会滞后数十年。“第二次世界大战以后，美国的研究和发展投入一直居于领头羊。其直接后果是，美国在科学和创新持续保持世界第一。在航空航天、互联网、计算机科学、卫生保健、工程技术和许多其他重要领域，我们的行业和工人都处于领头羊。然而，我们在全球的领头羊并不是先天注定的。我们是付出努力才得来的。我们一定要继续明智地来投资。20世纪40年代以后，我们首次不再获得重要科学技术领域的胜利。

  我们在全球范围高科技领域占有的工作份额持续减小。中国的高科技出口几乎是美国的三倍” 。 随着美国失去竞争优势许多国家正在增加研究投资，促进经济稳步的增长。经济合作与发展组织（OECD）的数据表明，美国的研究与发展投入占国内生产总值（GDP）的比例已经下滑到了第十名。

  新型聚合物彻底改变了对爆炸物的探测美国国防部主持的高分子化学领域的研究获得了增强荧光聚合物（AFP）和polysilole冷光聚合物，可以依据踪迹探测空中或地面的爆炸物。 这些聚合物的优势包括化学稳定性、波长可调谐性、显著地增强和高效抑制。有几种应用已经处于实战使用中，两种应用获得2005年和2007年美国陆军“最伟大发明奖”。下图表明了与爆炸物浓度成比例的增强荧光聚合物（AFP）抑制。

  美国将逐步通过提供稳定的、可预测的研究资金流来提升公司研究能力。过去10年对研究活动的拨款经历了具有破坏性的波动”。 当然，这对年轻研究人员的影响最大。在这种情况下，有人会问：美国是否会继续致力于技术的发展？投身科学、技术、工程与数学（STEM）是否是明智的选择？稳定的可预测的联邦资金会鼓励有才能的学生投身科学生涯，使有经验的研究人员终生从事研究工作，并能吸引和留住外国人才。也能支持投资研究和从事研究的各种机构，以及支持重要的科学基础设施—进行研究所必须的工具。在其它国家增加研究投资的情况下，稳定的资源对于未来的竞争显得日益重要”。

  图2关键专业领域基础研究的联邦经费投入占国内生产总值（GDP）的百分比。

  光参数振荡器可以将一个输入的激光波转换为两个较低频率的输出波。一个关键的突破使得人们能通过平版印刷对光参数振荡器（OPO）中的铁电非线性光学材料铌酸锂（LiNb03）进行周期极化。采用周期极化可以以较高的转换效率实现极宽的输出调谐范围。美国国防部试验室的科学家已经验证了利用这一原理的导弹欺骗的基本概念。这一进展是大型飞机红外对抗（LAIRCM）系统的基础，大型飞机红外对抗（LAIRCM）系统能够以很高的成功率对抗肩上发射导弹的攻击。

  美国联邦政府对研究的支持也变得不平衡。图2清楚地表明，相对于对于研究的总体支持，对于工程技术和自然科学的联邦支持的下降更明显。健康的经济需要各个专业的创新研究。“真正的革命性的科学发现往往依赖于多个领域的研究。维持创新体系也需要使研究人员具有广泛的专业相关知识，因为在创新过程中常常会出现一些技术问题，一定要通过研究提出解决方案。由此可见，研究与创新是相辅相成的”。更准确地说，如参考文献强调的那样，“对自然科学、工程技术、数学和信息科学以及国防部基本研究资金应该基于特表关注。”如果一个国家的医学研究处于领头羊而其他领域比较落后，从长远的观点来看，这一个国家人们的生活不会很好。社会持续健康发展需要平衡。

  尽管进行了广泛的争辩，但是，在过去的十年中，国防研究资金所占联邦研究支持的比力显而易见地下降。因为国防资金占联邦工程技术投资的三分之一（数学/计算机科学的联邦资金占28%，自然科学的联邦资金占14%），经过国防部的联邦研究基金份额的减少对美国的工程研究活动的开展产生了巨大的不利影响。

  在目前预算紧缩的情况下，国防部必须抵抗诱惑，不能将研究基金转到其他似乎更加紧急的需求方面。从这一个方面来讲，基础研究最容易受一定的影响，必须努力予以保护。通过消减技术探讨研究投入来支付日常运行的成本，会牺牲未来的军事优势，这是一种很严重的错误。