編譯 蔡立英

盡管現(xiàn)在投入到科學(xué)研究上的時間和金錢都越來越多，科學(xué)進步的速度卻勉強跟得上過去的速度，問題出在哪里呢？

作家斯圖爾特·布蘭德（Stewart Brand）曾寫道：“科學(xué)是唯一的新聞。”

盡管政治、經(jīng)濟和娛樂八卦主導(dǎo)了新聞頭條，但是科學(xué)和技術(shù)才是增進人類福祉和支撐人類文明長期進步的基礎(chǔ)。這一點從科學(xué)研究的公共投入的大幅增長就可以反映出來?，F(xiàn)在，無論是科學(xué)家的數(shù)量之多，科研經(jīng)費的體量之大，還是發(fā)表的科學(xué)論文數(shù)量之巨，都是前所未有。

表面上看，科學(xué)事業(yè)的發(fā)展欣欣向榮，很鼓舞人心。但是，現(xiàn)在我們仔細思考兩個問題：在科研投入大幅增長的同時，我們對科學(xué)的理解是否取得了與之相稱的進步？有沒有一種可能，我們僅僅是為了維持科學(xué)進步的速度才拼命投入更多的資源？為了搞清楚這兩個問題，我們首先需要確定如何評定科學(xué)的進步。

如何評價科學(xué)研究的重要性？

令人驚訝的是，我們很難以有意義的方式衡量科學(xué)進步。一部分困難在于很難精確評估任何一項科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要性。對早前科學(xué)的評價或許能帶給我們一些啟發(fā)！

比如，科學(xué)家注意到把琥珀放在貓的毛上摩擦后，琥珀會不可思議地吸引諸如羽毛等物體，而原因不明。在另一個實驗中，一位科學(xué)家注意到青蛙的腿被金屬解剖刀碰到時，會出人意料地抽搐。

即使做這些實驗的科學(xué)家也并不清楚，自己做這些實驗只是出于無關(guān)緊要的好奇心，還是那些引人發(fā)現(xiàn)更深邃的真理?，F(xiàn)在，得益于一百多年的事后認識，這些早期電學(xué)實驗看起來像是劃時代的實驗，其實很早就暗示了一種新的基本自然力的存在。

雖然很難，卻很有必要對科學(xué)研究的重要性做出評價。只有對科學(xué)研究的重要性做出評價后，才能頒發(fā)科學(xué)獎項，才能決定哪些科學(xué)家應(yīng)該得到聘用或是獲得經(jīng)費。在多數(shù)情況下，標準做法是詢問獨立科學(xué)家對于所討論的科學(xué)研究的意見。這種方法并不完美，卻是我們目前擁有的最好的評價方法。

是否研究效率在下降？

帶著這一想法，我們開展了一項調(diào)查，讓科學(xué)家對其所在領(lǐng)域獲諾貝爾獎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)進行排名。然后，我們運用這些排名信息，來確定科學(xué)家們認為過去幾十年來獲諾貝爾獎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量是如何變化的。

柱形圖顯示了每十年諾獎發(fā)現(xiàn)的評分。通過每十年的評分了解那十年中發(fā)現(xiàn)的重要性（統(tǒng)計是按發(fā)現(xiàn)的年份，而不是獲獎年份）。

對于諾貝爾物理學(xué)獎，我們邀請了世界頂級大學(xué)物理系（根據(jù)上海軟科發(fā)布的世界大學(xué)排名）的 93位物理學(xué)家，請他們對1 370對科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出評判。利用同樣的方法，我們對獲得諾貝爾化學(xué)獎、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的發(fā)現(xiàn)也開展了類似的調(diào)查。

20世紀頭十年的評分較低。因這十年中，諾貝爾委員會還在琢磨諾貝爾獎究竟應(yīng)該獎勵什么樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。例如，有一年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給能夠更好地照亮海上的燈塔和浮標的發(fā)明。如果你是航海者，這個發(fā)明對你而言無疑是好消息，但是在現(xiàn)代物理學(xué)家那里評分就很可憐了。但是，到20世紀第二個十年，大部分諾貝爾物理學(xué)獎都授予符合現(xiàn)代物理學(xué)觀念的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)了。

隨之而來的是一個物理學(xué)的黃金時代，從20世紀第二個十年一直持續(xù)到20世紀30年代。這是量子力學(xué)誕生的時代，量子力學(xué)是有史以來最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，從根本上改變了我們對現(xiàn)實的理解。這個黃金時代也見證了其他幾項革命：X射線晶體學(xué)的發(fā)明，讓我們能夠探究原子世界；中子和反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)；關(guān)于放射性和核力的很多基本事實。這是科學(xué)史上最偉大的時期之一。

緊接著這個黃金時代之后，是一個顯著的衰退期，直到20世紀60年代才出現(xiàn)部分回升。這要歸功于兩項發(fā)現(xiàn)：宇宙微波背景輻射和粒子物理學(xué)標準模型，這是我們發(fā)現(xiàn)的關(guān)于構(gòu)成宇宙的基本粒子和作用力的最佳理論。即使有這些發(fā)現(xiàn)，從20世紀40年代到80年代，物理學(xué)家們對這段時期每個十年的評價都比從1910年到20世紀30年代中評分最低的十年評分還低。

我們的圖表止步于20世紀80年代末。原因是，近年來，諾貝爾委員會更喜歡授獎給20世紀80年代和70年代完成的研究工作。實際上，1990年以來取得的發(fā)現(xiàn)只有三項獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。這個數(shù)量太小，難以評估20世紀90年代的成果質(zhì)量，所以我們干脆不調(diào)查這個階段的獲獎成果了。

但是，1990年以來缺乏獲諾獎級的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象本身就值得思考。20世紀90年代和21世紀頭十年可能以諾貝爾委員會最喜歡跳過的十年而著稱，諾貝爾委員會反而會授獎給更早的研究成果。鑒于20世紀70年代和80年代本身看起來也沒啥好成果，這對物理學(xué)而言是壞消息。

針對我們的調(diào)查，旁觀者可以提出很多合理的異議。也許接受調(diào)查的物理學(xué)家們心存偏見，或是對獲獎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的理解并不全面。正如此前所討論的，很難確定某項發(fā)現(xiàn)比另一項發(fā)現(xiàn)更重要。不過，科學(xué)家們的評判仍然是目前我們比較不同科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要性的最好途徑。

即使物理學(xué)領(lǐng)域的評分表現(xiàn)差強人意，也許其他領(lǐng)域的情況更好？我們對獲得諾貝爾化學(xué)獎、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的發(fā)現(xiàn)也開展了類似的調(diào)查。

我們的調(diào)查展示了一幅黯淡的圖景：過去一百年來，我們大幅增加了對科學(xué)研究的時間和金錢投入，但是依科學(xué)家們自己的評判來看，我們產(chǎn)出科學(xué)突破的速度基本恒定不變。若按單位成本或人均指標來看，科學(xué)研究的效率正在大大下降。

當然，這項評價存在一定局限性，比如：獲得諾貝爾獎的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量并不完全等同于科學(xué)進步的總體速度，有部分科學(xué)門類并沒有被諾貝爾獎涵蓋到，尤其是像計算機科學(xué)這樣的新興領(lǐng)域；此外，諾貝爾委員會偶爾也會遺漏重要的研究成果等等。

我們承認調(diào)查結(jié)果觸目驚心，卻也只描繪了一部分事實。但是，我們很快就會看到支撐證據(jù)提示，現(xiàn)在要取得那種波及范圍很大的重要發(fā)現(xiàn)正變得越來越困難，需要更龐大的團隊和更廣博的科學(xué)訓(xùn)練，而科學(xué)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的總體經(jīng)濟效益卻變得越來越小。

見仁見智：科研是否正在經(jīng)歷黃金時代？

但也有一部分科學(xué)家對科學(xué)的發(fā)展非常樂觀，他們通常分為兩種觀點。第一種，當我們把科研回報率正在下降的調(diào)查結(jié)果告訴同事時，他們有的認為這全是胡扯，而堅持認為科學(xué)正在經(jīng)歷一個黃金時代。他們指出近年來非常了不起的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，比如希格斯粒子和引力波，作為科學(xué)發(fā)展正經(jīng)歷黃金時代的證據(jù)。確實，這些是震驚世界的發(fā)現(xiàn)，但是前幾代人也取得了同樣甚至更引人注目的發(fā)現(xiàn)。

拿引力波的發(fā)現(xiàn)跟愛因斯坦1915年廣義相對論的發(fā)現(xiàn)作比較，廣義相對論不僅預(yù)言了引力波，還從根本上改變了我們對空間、時間、質(zhì)量、能量和引力的理解。而引力波的發(fā)現(xiàn)，盡管在技術(shù)手段上令人印象深刻，對我們的宇宙觀的改變則要小很多。

盡管希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)引人注目，但跟20世紀30年代眾多粒子的發(fā)現(xiàn)比起來，則黯然失色，這些粒子包括構(gòu)成我們?nèi)粘Ｊ澜绲闹饕M成部分之一的中子，還有最早揭示出反物質(zhì)的神秘世界的正電子。在某種意義上說，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)之所以引人注目，是因為它回歸到科學(xué)在20世紀上半葉尋常的發(fā)展狀態(tài)，而這種狀態(tài)近幾十年來則很罕見。

第二種常見的反應(yīng)是，人們認為科學(xué)發(fā)展得比以往任何時候都更好，是因為他們自己的領(lǐng)域正在取得巨大的進步。比如，我們現(xiàn)在經(jīng)常聽到人們說人工智能（AI）和生物學(xué)中的CRISPR基因編輯技術(shù)正突飛猛進地發(fā)展。盡管AI、CRISPR等類似領(lǐng)域的確在迅速發(fā)展，但是縱觀整個現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展史，總是有一些領(lǐng)域也是這么熱門，甚至更熱。

想想1924—1928年的物理學(xué)飛速發(fā)展階段。那段時間，物理學(xué)家們認識到物質(zhì)的基本成分既有粒子的特性，又有波的特性。他們制定了量子力學(xué)定律，導(dǎo)出了海森堡的測不準原理；他們預(yù)言了反物質(zhì)的存在等。作為其中主角的保羅·狄拉克（Paul Dirac）曾說：“這是物理學(xué)的一個黃金時代，即使是二流的物理學(xué)家也能取得一流的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

相比之下，過去數(shù)年來在AI領(lǐng)域的主要發(fā)現(xiàn)，包括提高識別圖像和語音的能力，以及下棋等比賽勝過人類的能力。這些是重要的成果，而且我們樂觀地相信AI領(lǐng)域的研究成果將在未來幾十年產(chǎn)生巨大的影響。但是，產(chǎn)出這些成果卻耗費了遠遠更多的時間、金錢和努力，而且目前尚不清楚，它們是否比20世紀20年代那些重構(gòu)現(xiàn)實的突破更意義重大。

類似的，CRISPR在過去數(shù)年來也取得了很多突破，包括修改人類胚胎來矯正一種遺傳性心臟病，以及創(chuàng)造出能在整個蚊子種群中傳播抗瘧疾基因的蚊子。雖然這樣的原理驗證引人注目，而且CRISPR的長遠潛力巨大，但是，近年來的這些研究成果并不比過去生物學(xué)快速進步時期的成果更令人印象深刻。

科學(xué)家取得諾獎成果時的平均年齡增長10歲

為什么科學(xué)研究的成本變得比以前高昂得多，卻在促進人們對科學(xué)的理解上沒有產(chǎn)生與之相稱的推動作用？經(jīng)濟學(xué)家本杰明·瓊斯（Benjamin Jones）和布魯斯·溫伯格（Bruce Weinberg）研究了科學(xué)家們?nèi)〉弥卮蟀l(fā)現(xiàn)時的年齡，發(fā)現(xiàn)在諾貝爾獎設(shè)立的初期，未來獲諾貝爾獎的科學(xué)家取得獲獎發(fā)現(xiàn)時的平均年齡是37歲，而在近年來，這個平均年齡增長到47歲，而10年光景大約是一個科學(xué)家科研生涯的1/4。

也許，現(xiàn)在的科學(xué)家們要取得重要的發(fā)現(xiàn)，需要懂得遠遠比過去的科學(xué)家更多的知識。因此，他們需要學(xué)習(xí)更長時間。所以直到比過去的科學(xué)家更年長，才能做出他們最重要的工作。直白地說，取得重大發(fā)現(xiàn)的難度正變得越來越大。

如果重大發(fā)現(xiàn)更難以取得，照此推論，意味著重大發(fā)現(xiàn)的數(shù)量將會更少，或是需要科學(xué)家付出遠遠更多的努力。類似的道理，比起一百年前，現(xiàn)在的科學(xué)合作往往涉及更多的人。

當歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）在1911年發(fā)現(xiàn)原子核時，他發(fā)表了一篇論文，署名的作者只有一位，就是他自己。與此形成鮮明對比的是，2012年宣布發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的兩篇論文，每篇論文的署名作者大約有一千名。

平均而言，從20世紀初到20世紀末，科研團隊的規(guī)模幾乎翻了兩番，而且這種增長趨勢持續(xù)至今。如今，很多科學(xué)問題的研究，需要更多的技巧、昂貴的科研設(shè)備和一個龐大的研究團隊，才能取得進展。

卓越的理論物理學(xué)利奧·卡達諾夫（Leo Kadanoff）對科學(xué)的新進展的看法：“真相是，現(xiàn)在根本沒有和量子力學(xué)的發(fā)明或DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)或相對論的創(chuàng)立同等重量級的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。過去數(shù)十年來，并沒有重量級的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”

為什么科學(xué)研究難度變大

假設(shè)我們認為科學(xué)作為對自然的探究，類似于對新大陸的勘探。我們來想象一下：早期，人們幾乎一無所知，探險家出發(fā)后輕而易舉就發(fā)現(xiàn)了重要的新地形。但是漸漸地，他們的大腦中填補了關(guān)于新大陸的知識。要想取得重大發(fā)現(xiàn)，探險家必須在更為艱苦的條件下，跋涉到更為偏遠的地區(qū)。按照這種觀點，科學(xué)是一個有限的前沿領(lǐng)域，需要付出更多努力，才能“填充知識地圖”?？傆幸惶?，知識地圖將接近完成，那時，科學(xué)將會在很大程度上枯竭。以此觀點，任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)難度的增加都是科學(xué)知識結(jié)構(gòu)本身固有的。

這種觀點的一個典型來自于基礎(chǔ)物理學(xué)，很多人都致力于尋找一種“萬物理論”，即能夠解釋我們在世界上看到的所有基本粒子和作用力的理論。這樣的理論我們只能發(fā)現(xiàn)一次，如果你認為這就是科學(xué)的主要目標，那么，科學(xué)確實是一個有限的前沿領(lǐng)域。

持樂觀觀點的人認為，科學(xué)是一個無限的前沿領(lǐng)域，總是有新現(xiàn)象有待發(fā)現(xiàn)，總有一些重要的新問題有待回答?？茖W(xué)可能是一個無限的前沿領(lǐng)域，是一種被稱為“涌現(xiàn)”的思想的結(jié)果。

以水為例，用方程來描述每個水分子的行為是一碼事，而要理解為什么天空會形成彩虹，或是海浪的撞擊，抑或是我們稱為“彗星”的太空中的臟雪球的起源則是另一碼事。所有這些都是“水”，但是其復(fù)雜程度是不同的。每個都是從描述水的基本方程中涌現(xiàn)出來的，但是誰會從那些方程中發(fā)覺像彩虹或是撞擊的海浪這樣復(fù)雜的東西？

因此，樂觀的觀點認為，科學(xué)是一個無止境的前沿領(lǐng)域，我們將會繼續(xù)發(fā)現(xiàn)乃至創(chuàng)造全新的領(lǐng)域，并提出新領(lǐng)域內(nèi)的基本問題。如果現(xiàn)在我們看到科學(xué)的發(fā)展在減速，那是因為科學(xué)仍然過于關(guān)注已經(jīng)建立的研究領(lǐng)域，而要在已建立的領(lǐng)域取得進展，正變得越發(fā)困難。

我們希望未來能看到更多的新領(lǐng)域出現(xiàn)，產(chǎn)生重要的新問題，這是科學(xué)加速發(fā)展的機會。

科學(xué)是否已經(jīng)終結(jié)？

我們并不是最早認為科學(xué)發(fā)現(xiàn)的回報正在遞減的研究者。1971年，著名生物學(xué)家本特利·格拉斯（Bentley Glass）在《科學(xué)》雜志撰文，認為科學(xué)的輝煌時代已經(jīng)結(jié)束，最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)取得：“無論如何，我很難相信，像達爾文的生物進化論和孟德爾對遺傳本質(zhì)的理解這樣完整、全面且震撼世界的發(fā)現(xiàn)會輕易地出現(xiàn)。畢竟，這些偉大的理論已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了！”

科學(xué)作家約翰·霍根（John Horgan）在其1996年的著作《科學(xué)的終結(jié)》（The End of Science）中，采訪了很多杰出科學(xué)家，請他們談?wù)剬ψ约侯I(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展前景的看法，他的采訪結(jié)果并不鼓舞人心。比如，卓越的理論物理學(xué)家利奧·卡達諾夫（Leo Kadanoff）對科學(xué)新進展的看法：“真相是，現(xiàn)在根本沒有和量子力學(xué)的發(fā)明或DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)或相對論的創(chuàng)立同等重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。過去數(shù)十年來，并沒有重量級的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！?/p>

霍根問卡達諾夫這種狀況是否永久不變。卡達諾夫沉默片刻，才嘆口氣回答道：“一旦你已經(jīng)證明了世界是合法的，而且令很多人都滿意了，那么你就不能再次證明了。”

問題之中蘊藏著機遇

盡管很多人對科研回報在遞減表示擔(dān)憂，機構(gòu)對科研回報持積極態(tài)度。

特朗普總統(tǒng)科學(xué)顧問——氣象學(xué)家開爾文·德羅格梅爾（Kelvin Droegemeier）在2016年對美國參議院委員會的評論中聲稱：“科學(xué)發(fā)現(xiàn)的步伐在加快?！泵绹鴩铱茖W(xué)基金會（NSF）2018年的報告中，只字未提科研回報在遞減的問題，而是樂觀地談?wù)摗翱赡艿淖兏镄匝芯?，將會產(chǎn)生開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，催生激動人心的科學(xué)新前沿”。

為什么出現(xiàn)這種回應(yīng)？部分是因為一些科學(xué)家把承認科研回報在遞減視為背叛科學(xué)共同體的自身利益。大多數(shù)科學(xué)家強烈支持更多的科研經(jīng)費，他們喜歡以正面的方式描繪科學(xué)發(fā)展的前景，強調(diào)其好處而把科學(xué)的負面效應(yīng)最小化。

盡管這一想法可以理解，證據(jù)卻表明，單位成本或單位時間的科研投入的產(chǎn)出已經(jīng)極大地減速了。這個證據(jù)需要大規(guī)模的機構(gòu)響應(yīng)，應(yīng)該成為公共政策、資助機構(gòu)和大學(xué)的一個重大研究課題。

更好地理解導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因很重要，而找到逆轉(zhuǎn)這個現(xiàn)象的方法，是改善我們未來的重大機遇之一。

資料來源 nautil.us