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美國的舉國體制：美國國家實驗室的建設經驗和啟發

2021-12-14 11:56:18 作者：DT新材料來源：DT新材料分享至：

按照國家實驗室的定義，一般是指國家投資、建立、管理和運營的大型戰略科研創新機構，擔負著國家重大戰略創新使命，目的是為國家戰略需求，體現國家意志，承擔國家任務。

很多國人很自豪，認為只有中國才有舉國體制，“舉國之力，能辦大事”的大國體制優越性。

其實，國家實驗室世界上很多國家都有。尤其是以美國為首的西方發達國家，有大批量成熟運營的國家實驗室機構，成為各國競相創新的“國家部隊”！僅美國就有超過100個國家實驗室，美國每年投入數千億美元支持國家實驗室建設，規模遠超世界各國！

可以說，美國成為世界頭號強國，國家實驗室功不可沒！本文重點以具體案例對象描述形式，介紹和分享美國國家實驗室的創新歷史經驗。

功能定位

當今世界，美國作為世界頭號科技強國，擁有一個龐大的國家實驗室體系。美國國家實驗室，是美國聯邦政府在特定歷史時期，根據國家戰略任務導向，建立的一批肩負“國家使命”的科研設施。

美國從上世紀初開始，利用難得的有利于美國飛速發展的國際機會和環境，包括通過轉移、引進、消化、吸收歐洲國家的先進技術，進行再創新，歷經一戰、二戰，以及戰后與蘇聯的軍備競賽等，逐步建立物理、能源、生物等技術領域的國家實驗室。

經過長期歷史發展，美國國家實驗室的運行管理機制，已經日趨完善和成熟，成為美國國家創新體系的重要組成部分，為科技創新提供了強大動力。

從美國強大和飛速發展的歷史，是否能夠隱隱感覺與今天中國發展的未來？

國家實驗室分類

目前，美國國家實驗室，主要隸屬美國聯邦部委，比如：能源部、國防部和國家航空航天局等。國家實驗室，全部都是美國政府投資建設的，按照運營管理方式，主要分為兩類：國營和民營。

2.1 國家運營的國家實驗室

國家運營的國家實驗室，是聯邦政府各部門設立并直接管理。因此，國營的國家實驗室，完全是國家性質的科研創新機構，主要集中在國家公益性科技發展領域，這些領域的巨額投入，很難有較大的經濟價值和回報，但是有深遠的國家戰略利益，以及社會價值和意義。

比如：美國衛生部下屬的“美國國立衛生研究院（NIH）”、商務部下屬的“國家標準和技術研究院（NIST）”、農業部下屬的“農業研究局（ARS）”均屬此列，大部分的職員一般屬于美國聯邦雇員。

2.2 民間運營的國家實驗室

美國政府更加強調國家實驗室資源的共享和開放。學術界主要關注知識及教育，產業界則集中關注市場及經濟利益，美國聯邦政府作為官方機構，居間引領，搭建了大學和企業的聯合共享機制。

民間運營的國家實驗室，聯邦政府自己不參與、不干預管理，是將國家實驗室的運營權力全權委托交給大學、企業等機構，進行自主化運營。

比如：能源部17個國家實驗室，目前有16個委托給大學或非營利機構運行。民間運營的國家實驗室，雖然是政府巨額投資，但是政府并不將相關的科研成果“據為己有”，而是無償提供給民營機構或企業。

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歷史過程

3.1 建立階段

美國歷史上，最初建立國家實驗室，是為了滿足國家重大戰略需求為建設目標，以高效完成目標衍生出強大且持久的建設動力。比如：

（1）建設艾姆斯國家實驗室（Ames Laboratory）、阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）等國家實驗室的建立，初始目標是服務于二戰時美國原子彈制造工程。

（2）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）建立，直接源于美國二戰后對原子能和平利用的強大需求。

（3）勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的形成，起因于處于冷戰時期的美國急需發展先進核武器以應對國家安全危機的需求。

（4）薩凡納河國家實驗室（Savannah River National Laboratory）、西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）的建設，則主要輔助美國解決二戰后核廢棄、核安全及國家安全方面的問題。

（5）國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）、國家能源技術實驗室（National Energy Technology Laboratory）的落成，則主要承擔美國不同時期能源戰略的各種科技研發任務。

（6）勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）首先由著名的物理學家勞倫斯成立“放射實驗室”，之后，也因美國“曼哈頓計劃”的需求而直接轉入原子彈研究領域。勞倫斯伯克利實驗室是1939年諾貝爾物理學獎得主歐內斯特。奧蘭多。伯克利先生建立的，早期關注于高能物理領域的研究。勞倫斯·伯克利國家實驗室，位于美國加州大學伯克利分校，由伯克利分校代管，占地81公頃，毗鄰舊金山灣，隸屬于美國能源部。

（7）愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）建立之初，是“國家反應堆試驗站”；斯坦福直線加速器國家實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）、費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）、托馬斯·杰斐遜加速器（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）國家實驗室的形成，主要源于美國基礎科學研究對大型科學儀器的需求，以其迎合和加速特殊時期核武器的研發、原子能的和平利用等國家重大戰略需求為條件。

有些國家實驗室成立，則是為了國家重要戰略利益，重要研究領域與方向。比如：

（1）艾姆斯國家實驗室（Ames Laboratory），在材料合成、設計方面始終保持其在美國材料科學中的核心地位。

（2）普林斯頓等離子物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory），至今依然是美國磁聚變研究領域的砥柱。

（3）洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory），目前仍是美國核武器研發方面的佼佼者。洛斯阿拉莫斯國家實驗室，始建于1943年，曾云集大批世界頂尖科學家，其建立者包括原子彈之父奧本海默、氫彈之父愛德華·泰勒和諾貝爾物理獎得主歐內斯特·勞倫斯。

（4）斯坦福直線加速器國家實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory），更是美國核技術開發利用，對基礎物理研究及國家能源研發等需求，形成至今已逾百年的國家能源技術實驗室，在從事美國能源科研研發領域一直世界領先。同時，由此誕生了6位偉大的科學家獲得了諾貝爾物理學獎。

3.2 形成階段

（1）美國二戰時期最為著名的“曼哈頓工程”，動用10萬之眾，耗資20多億美元，建設了包括原子反應堆在內的諸多重要科研設施，全部是以國家戰時名義劃撥，包括冶金實驗室化學分部成為“艾姆斯國家實驗室”雛形；冶金實驗室成為“阿貢國家實驗室”雛形；克林頓實驗室成為后來著名的“橡樹嶺國家實驗室”。

橡樹嶺國家實驗室，是美國能源部所屬的一個大型國家實驗室，成立于1943年，最初是作為美國曼哈頓計劃的一部分，以生產和分離鈾和钚為主要目的建造的，原稱克林頓實驗室。2000年4月以后，由田納西大學和Battelle紀念研究所共同管理。

（2）國家反應堆試驗站，成為“愛達荷國家實驗室”雛形；斯坦福直線加速器中心，時稱“M工程”，是“斯坦福直線加速器國家實驗室”雛形；國家加速器實驗室，后來則成為“費米國家加速器實驗室”等，以大型科研設備為載體的國家實驗室雛形本身的建設，都是相對獨立的“大科學實驗工程”。

（3）聯邦能源技術中心，也就是“國家能源技術實驗室”雛形，其建設比較特殊，主要機構是基于美國政府的公共法、合成液體燃料法案建設而成。

美國國家實驗室的形成，也可謂“時勢造英雄”，戰爭催生了“曼哈頓工程”，成就了美國國家實驗室的橫空出世。如果沒有二戰美國國家軍事戰略對原子彈的迫切需求，就沒有美國國家實驗室的誕生。

3.3 發展階段

（1）勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室建立之初，工作人員總數76人，每年國家預算350萬美元，優勢研究領域為核武器研制。之后，借助核武器優勢研究領域不斷凝聚資源，赫伯特·約克擔任實驗室主任（1952—1958）結束時，研發人員已擴充至3600人，研發經費達到4000萬美元，先進科研設施，包括IBM704大型計算機、90英寸的回旋加速器等。

在此基礎上，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室進一步強化了在核武器研究領域內的優勢。經過60多年的發展，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室2016年的財政撥款為16.85億美元，擁有“國家燃燒點火設備”（National Ignition Facility）等重大科學裝置，已成為核武器研發領域最具實力的三大美國國家實驗室之一。

同時，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室也發揮了其優勢研究領域的輻射帶動作用和資源拓展作用，不斷形成新的研究領域和優勢研究領域。比如：20世紀50年代，實驗室形成的高速運算研究領域；60年代，實驗室研究領域向生物科學和環保領域的拓展；80年代，實驗室成為研發多個并行處理科學計算技術的先驅；90年代，實驗室涉足國家安全領域；2001年，因恐怖襲擊事件的發生，實驗室研究領域迅速拓展至反恐領域，并占據研究前沿。同時，已有優勢研究領域與新時期國家戰略需求的結合，也催生了該實驗室一系列新的研究領域，比如：能源安全等。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，是美國國家實驗室最為成功的典型案例，主要是歸功于實驗室推陳出新不斷創新的強大實力，更重要的是美國聯邦長期的經費投入和支持！

（2）斯坦福加速器國家實驗室

斯坦福加速器國家實驗室，在面對實驗室大型儀器設備難以繼續更新換代的境況下，采取了更改儀器設備用途的方法，將原本用于物理學研究的加速器，轉變為高能的X射線源，供生物學家、化學家和材料學家確定分子和材料的結構壓縮研究。

這是斯坦福加速器國家實驗室又一成功發展轉型的典型案例。

（3）費米國家實驗室

費米國家實驗室則選擇了停止運行Tevatron，適度壓縮粒子物理學研究力量，開拓宇宙學等新研究領域的方案。費米國家實驗室，粒子物理學研究領域逐漸失去優勢的情況下，則進入新的宇宙學研究領域，開辟新的路徑，也是國家實驗室轉型發展的成功案例。

美國國家實驗室的歷史轉型，是歷史使命的完成和轉型，也是適應大科學時代發展變遷的需要和歷史必然；同時，也是國家實驗室運營和管理制度不斷優化升級的時代要求。

3.4 成熟階段

成熟階段的美國國家實驗室，開始向社會主動標榜自己的遠景、目標和價值觀，或者社會使命和責任等精神層面的宣示，建立公眾形象，以及良好的社會印象，發揮科技創新軟實力的影響和作用，吸引更多的社會資源和頂尖人才。比如：

（1）洛斯·阿拉莫斯國家實驗室，其愿景是“通過科學技術保護國家，促進世界穩定”，其具體實現目標是“研發相關科技和工程解決方案以確保美國核威懾的安全性和有效性；減少全球威脅；解決其他新興國家的安全和能源挑戰”，其核心價值觀是“服務國家、行為道德、個人責任、工作精益求精、相互尊重、團隊精神”。

（2）阿貢國家實驗室，其愿景是“在這個具有挑戰性的時代，尋求可持續能源、健康環境和國家安全的科學的解決方案”，其使命是“在阿貢國家實驗室，我們的科學家和工程師一起創造新的知識，來解決國家科學和社會的需求”。

（3）普林斯頓等離子體物理實驗室，其愿景“引領等離子體科學與技術的前沿，讓安全、清潔、豐富的核聚變能源為全球提供動力”，其使命是“與世界各地的合作者共同開發核聚變能源，并進行等離子體科學和技術的前沿研究；同時在該領域為國家建立研發型企業，培養下一代等離子和核聚變領域科學家”。

不可否認，美國今天的100多個國家實驗室，承載和吸引了成千上萬的世界級大科學家，為美國的科技創新事業奮斗在世界的最前沿。

3.5 升級階段

科創競爭，為美國國家實驗室提供了升級的動力，并通過其衍生研究領域的再造功能，突破實驗室成熟后的僵化問題，最終實現國家實驗室向更高層次發展的進階升級。比如：

在歐盟建設大型離子加速器（large hadron collider，LHC）之前，費米國家實驗室建造的質子—反質子對撞機Tevatron，使其在粒子物理研究方面始終處于領先地位，同時也會導致其研究領域長期局限在帶電中微子領域內，精深研究是實驗室文化的核心特征。LHC 建成后，費米國家實驗室研究優勢迅速削弱，加之來自斯坦福國家加速器實驗室等其他國家實驗室的競爭，迫使費米國家實驗室不得不通過改弦更張，化解實驗室發展和生存困境。

2011年費米國家實驗室停止運行Tevatron，研究拓展方向為不帶電中微子和宇宙學等研究領域，并重新確定了“高強度粒子束”、“下一代離子對撞機”和“宇宙學前沿研究”三大領域，作為實驗室未來研究的主要發展方向，研究領域多樣化和生態性，重新構建了費米國家實驗室文化的新內涵。總之，費米國家實驗室在競爭導引下，通過一系列再造措施，實驗室向更高層級發展。

美國國家實驗室，成熟也許就意味著衰老！

在新的國際科技發展競爭的環境里，美國國家實驗室，如果缺乏進一步創新的能力，也面臨生存的危機。轉型升級發展，對所有創新的機構都是適用的最基本的原理。真應了中國的那句俗語：“改革找死，不改革等死！”

美國實驗室啟示

4.1 國家實驗室，首先服務于國家使命

曼哈頓原子彈工程、導彈防御計劃、世界互聯網、新型清潔能源等重大發明創造，均來自美國國家實驗室的研究。美國強大的科技創新實力，不僅使美國成為全球經濟最發達的國家，同時也使美國成為世界超級軍事霸主，幾乎在各個領域美國都成為了全世界最有影響力的國家。

4.2 美國國家實驗室的創新模式值得我們學習

美國國家實驗室，是中國科技創新發展經驗學習的典范。美國國家實驗室，為美國成為全球最發達的科技強國立下了汗馬功勞！通過第二次世界大戰，美國國防部、美國能源部等政府部門，“以舉國體制，集中力量辦大事”的模式，舉美國國家之力，長期主導和支持美國國家實驗室的建設和運營，開創了現代人類社會無數科技的偉大創造和發明。

實踐證明，美國國家實驗室是集成美國重大科技發展的戰略體系、機制制度和平臺載體等為一體的一種高效的國家支持科技創新的典型范例。

美國國家實驗室是中國借鑒美國科技發展經驗的最好模式。學習和借鑒美國國家實驗室的創新經驗和良好實踐，定位中國的國家科技戰略發展平臺，搶占未來科技發展的的戰略高地，尤其人工智能產業研發，實現國家主導下的合作創新機制，構筑共享科創平臺，以奠定中國作為全世界人工智能產業高地的絕對優勢和地位，為中國創造數萬億級新經濟平臺模式奠定基礎。

4.3 中國需要美國式的國家實驗室平臺

中國如果能夠盡快建立中國的國家實驗室研究體系，國家實驗室是杠桿。比如：撬動世界新一代人工智能產業發展高地的一臂之力，能夠“四兩撥千斤”，快速引領人工智能產業鏈和供應鏈，吸引更多的人才集聚和技術落戶中國，形成人工智能產業在中國的良好生態系統和戰略發展布局。中美科技戰，致使大量在美華人科技精英人才回流，中國國家實驗室將是吸引人才最好的載體和平臺！

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