科研怪象：产出与投入越来越不相称

编译 蔡立英

尽管现在投入到科学研究上的时间和金钱都越来越多，科学进步的速度却勉强跟得上过去的速度，问题出在哪里呢？

作家斯图尔特·布兰德（Stewart Brand）曾写道：“科学是唯一的新闻。”

尽管政治、经济和娱乐八卦主导了新闻头条，但是科学和技术才是增进人类福祉和支撑人类文明长期进步的基础。这一点从科学研究的公共投入的大幅增长就可以反映出来。现在，无论是科学家的数量之多，科研经费的体量之大，还是发表的科学论文数量之巨，都是前所未有。

表面上看，科学事业的发展欣欣向荣，很鼓舞人心。但是，现在我们仔细思考两个问题：在科研投入大幅增长的同时，我们对科学的理解是否取得了与之相称的进步？有没有一种可能，我们仅仅是为了维持科学进步的速度才拼命投入更多的资源？为了搞清楚这两个问题，我们首先需要确定如何评定科学的进步。

如何评价科学研究的重要性？

令人惊讶的是，我们很难以有意义的方式衡量科学进步。一部分困难在于很难精确评估任何一项科学发现的重要性。对早前科学的评价或许能带给我们一些启发！

比如，科学家注意到把琥珀放在猫的毛上摩擦后，琥珀会不可思议地吸引诸如羽毛等物体，而原因不明。在另一个实验中，一位科学家注意到青蛙的腿被金属解剖刀碰到时，会出人意料地抽搐。

即使做这些实验的科学家也并不清楚，自己做这些实验只是出于无关紧要的好奇心，还是那些引人发现更深邃的真理。现在，得益于一百多年的事后认识，这些早期电学实验看起来像是划时代的实验，其实很早就暗示了一种新的基本自然力的存在。

虽然很难，却很有必要对科学研究的重要性做出评价。只有对科学研究的重要性做出评价后，才能颁发科学奖项，才能决定哪些科学家应该得到聘用或是获得经费。在多数情况下，标准做法是询问独立科学家对于所讨论的科学研究的意见。这种方法并不完美，却是我们目前拥有的最好的评价方法。

是否研究效率在下降？

带着这一想法，我们开展了一项调查，让科学家对其所在领域获诺贝尔奖的科学发现进行排名。然后，我们运用这些排名信息，来确定科学家们认为过去几十年来获诺贝尔奖的科学发现的质量是如何变化的。

柱形图显示了每十年诺奖发现的评分。通过每十年的评分了解那十年中发现的重要性（统计是按发现的年份，而不是获奖年份）。

对于诺贝尔物理学奖，我们邀请了世界顶级大学物理系（根据上海软科发布的世界大学排名）的 93位物理学家，请他们对1 370对科学发现做出评判。利用同样的方法，我们对获得诺贝尔化学奖、诺贝尔生理学或医学奖的发现也开展了类似的调查。

20世纪头十年的评分较低。因这十年中，诺贝尔委员会还在琢磨诺贝尔奖究竟应该奖励什么样的科学发现。例如，有一年诺贝尔物理学奖颁发给能够更好地照亮海上的灯塔和浮标的发明。如果你是航海者，这个发明对你而言无疑是好消息，但是在现代物理学家那里评分就很可怜了。但是，到20世纪第二个十年，大部分诺贝尔物理学奖都授予符合现代物理学观念的物理学发现了。

随之而来的是一个物理学的黄金时代，从20世纪第二个十年一直持续到20世纪30年代。这是量子力学诞生的时代，量子力学是有史以来最伟大的科学发现之一，从根本上改变了我们对现实的理解。这个黄金时代也见证了其他几项革命：X射线晶体学的发明，让我们能够探究原子世界；中子和反物质的发现；关于放射性和核力的很多基本事实。这是科学史上最伟大的时期之一。

紧接着这个黄金时代之后，是一个显著的衰退期，直到20世纪60年代才出现部分回升。这要归功于两项发现：宇宙微波背景辐射和粒子物理学标准模型，这是我们发现的关于构成宇宙的基本粒子和作用力的最佳理论。即使有这些发现，从20世纪40年代到80年代，物理学家们对这段时期每个十年的评价都比从1910年到20世纪30年代中评分最低的十年评分还低。

我们的图表止步于20世纪80年代末。原因是，近年来，诺贝尔委员会更喜欢授奖给20世纪80年代和70年代完成的研究工作。实际上，1990年以来取得的发现只有三项获得了诺贝尔物理学奖。这个数量太小，难以评估20世纪90年代的成果质量，所以我们干脆不调查这个阶段的获奖成果了。

但是，1990年以来缺乏获诺奖级的物理学发现这一现象本身就值得思考。20世纪90年代和21世纪头十年可能以诺贝尔委员会最喜欢跳过的十年而著称，诺贝尔委员会反而会授奖给更早的研究成果。鉴于20世纪70年代和80年代本身看起来也没啥好成果，这对物理学而言是坏消息。

针对我们的调查，旁观者可以提出很多合理的异议。也许接受调查的物理学家们心存偏见，或是对获奖的科学发现的理解并不全面。正如此前所讨论的，很难确定某项发现比另一项发现更重要。不过，科学家们的评判仍然是目前我们比较不同科学发现的重要性的最好途径。

即使物理学领域的评分表现差强人意，也许其他领域的情况更好？我们对获得诺贝尔化学奖、诺贝尔生理学或医学奖的发现也开展了类似的调查。

我们的调查展示了一幅黯淡的图景：过去一百年来，我们大幅增加了对科学研究的时间和金钱投入，但是依科学家们自己的评判来看，我们产出科学突破的速度基本恒定不变。若按单位成本或人均指标来看，科学研究的效率正在大大下降。

当然，这项评价存在一定局限性，比如：获得诺贝尔奖的科学发现的质量并不完全等同于科学进步的总体速度，有部分科学门类并没有被诺贝尔奖涵盖到，尤其是像计算机科学这样的新兴领域；此外，诺贝尔委员会偶尔也会遗漏重要的研究成果等等。

我们承认调查结果触目惊心，却也只描绘了一部分事实。但是，我们很快就会看到支撑证据提示，现在要取得那种波及范围很大的重要发现正变得越来越困难，需要更庞大的团队和更广博的科学训练，而科学发现产生的总体经济效益却变得越来越小。

见仁见智：科研是否正在经历黄金时代？

但也有一部分科学家对科学的发展非常乐观，他们通常分为两种观点。第一种，当我们把科研回报率正在下降的调查结果告诉同事时，他们有的认为这全是胡扯，而坚持认为科学正在经历一个黄金时代。他们指出近年来非常了不起的科学发现，比如希格斯粒子和引力波，作为科学发展正经历黄金时代的证据。确实，这些是震惊世界的发现，但是前几代人也取得了同样甚至更引人注目的发现。

拿引力波的发现跟爱因斯坦1915年广义相对论的发现作比较，广义相对论不仅预言了引力波，还从根本上改变了我们对空间、时间、质量、能量和引力的理解。而引力波的发现，尽管在技术手段上令人印象深刻，对我们的宇宙观的改变则要小很多。

尽管希格斯粒子的发现引人注目，但跟20世纪30年代众多粒子的发现比起来，则黯然失色，这些粒子包括构成我们日常世界的主要组成部分之一的中子，还有最早揭示出反物质的神秘世界的正电子。在某种意义上说，希格斯粒子的发现之所以引人注目，是因为它回归到科学在20世纪上半叶寻常的发展状态，而这种状态近几十年来则很罕见。

第二种常见的反应是，人们认为科学发展得比以往任何时候都更好，是因为他们自己的领域正在取得巨大的进步。比如，我们现在经常听到人们说人工智能（AI）和生物学中的CRISPR基因编辑技术正突飞猛进地发展。尽管AI、CRISPR等类似领域的确在迅速发展，但是纵观整个现代科学发展史，总是有一些领域也是这么热门，甚至更热。

想想1924—1928年的物理学飞速发展阶段。那段时间，物理学家们认识到物质的基本成分既有粒子的特性，又有波的特性。他们制定了量子力学定律，导出了海森堡的测不准原理；他们预言了反物质的存在等。作为其中主角的保罗·狄拉克（Paul Dirac）曾说：“这是物理学的一个黄金时代，即使是二流的物理学家也能取得一流的发现。”

相比之下，过去数年来在AI领域的主要发现，包括提高识别图像和语音的能力，以及下棋等比赛胜过人类的能力。这些是重要的成果，而且我们乐观地相信AI领域的研究成果将在未来几十年产生巨大的影响。但是，产出这些成果却耗费了远远更多的时间、金钱和努力，而且目前尚不清楚，它们是否比20世纪20年代那些重构现实的突破更意义重大。

类似的，CRISPR在过去数年来也取得了很多突破，包括修改人类胚胎来矫正一种遗传性心脏病，以及创造出能在整个蚊子种群中传播抗疟疾基因的蚊子。虽然这样的原理验证引人注目，而且CRISPR的长远潜力巨大，但是，近年来的这些研究成果并不比过去生物学快速进步时期的成果更令人印象深刻。

科学家取得诺奖成果时的平均年龄增长10岁

为什么科学研究的成本变得比以前高昂得多，却在促进人们对科学的理解上没有产生与之相称的推动作用？经济学家本杰明·琼斯（Benjamin Jones）和布鲁斯·温伯格（Bruce Weinberg）研究了科学家们取得重大发现时的年龄，发现在诺贝尔奖设立的初期，未来获诺贝尔奖的科学家取得获奖发现时的平均年龄是37岁，而在近年来，这个平均年龄增长到47岁，而10年光景大约是一个科学家科研生涯的1/4。

也许，现在的科学家们要取得重要的发现，需要懂得远远比过去的科学家更多的知识。因此，他们需要学习更长时间。所以直到比过去的科学家更年长，才能做出他们最重要的工作。直白地说，取得重大发现的难度正变得越来越大。

如果重大发现更难以取得，照此推论，意味着重大发现的数量将会更少，或是需要科学家付出远远更多的努力。类似的道理，比起一百年前，现在的科学合作往往涉及更多的人。

当欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在1911年发现原子核时，他发表了一篇论文，署名的作者只有一位，就是他自己。与此形成鲜明对比的是，2012年宣布发现希格斯粒子的两篇论文，每篇论文的署名作者大约有一千名。

平均而言，从20世纪初到20世纪末，科研团队的规模几乎翻了两番，而且这种增长趋势持续至今。如今，很多科学问题的研究，需要更多的技巧、昂贵的科研设备和一个庞大的研究团队，才能取得进展。

卓越的理论物理学利奥·卡达诺夫（Leo Kadanoff）对科学的新进展的看法：“真相是，现在根本没有和量子力学的发明或DNA双螺旋结构的发现或相对论的创立同等重量级的科学发现。过去数十年来，并没有重量级的科学发现。”

为什么科学研究难度变大

假设我们认为科学作为对自然的探究，类似于对新大陆的勘探。我们来想象一下：早期，人们几乎一无所知，探险家出发后轻而易举就发现了重要的新地形。但是渐渐地，他们的大脑中填补了关于新大陆的知识。要想取得重大发现，探险家必须在更为艰苦的条件下，跋涉到更为偏远的地区。按照这种观点，科学是一个有限的前沿领域，需要付出更多努力，才能“填充知识地图”。总有一天，知识地图将接近完成，那时，科学将会在很大程度上枯竭。以此观点，任何科学发现难度的增加都是科学知识结构本身固有的。

这种观点的一个典型来自于基础物理学，很多人都致力于寻找一种“万物理论”，即能够解释我们在世界上看到的所有基本粒子和作用力的理论。这样的理论我们只能发现一次，如果你认为这就是科学的主要目标，那么，科学确实是一个有限的前沿领域。

持乐观观点的人认为，科学是一个无限的前沿领域，总是有新现象有待发现，总有一些重要的新问题有待回答。科学可能是一个无限的前沿领域，是一种被称为“涌现”的思想的结果。

以水为例，用方程来描述每个水分子的行为是一码事，而要理解为什么天空会形成彩虹，或是海浪的撞击，抑或是我们称为“彗星”的太空中的脏雪球的起源则是另一码事。所有这些都是“水”，但是其复杂程度是不同的。每个都是从描述水的基本方程中涌现出来的，但是谁会从那些方程中发觉像彩虹或是撞击的海浪这样复杂的东西？

因此，乐观的观点认为，科学是一个无止境的前沿领域，我们将会继续发现乃至创造全新的领域，并提出新领域内的基本问题。如果现在我们看到科学的发展在减速，那是因为科学仍然过于关注已经建立的研究领域，而要在已建立的领域取得进展，正变得越发困难。

我们希望未来能看到更多的新领域出现，产生重要的新问题，这是科学加速发展的机会。

科学是否已经终结？

我们并不是最早认为科学发现的回报正在递减的研究者。1971年，著名生物学家本特利·格拉斯（Bentley Glass）在《科学》杂志撰文，认为科学的辉煌时代已经结束，最重要的科学发现已经取得：“无论如何，我很难相信，像达尔文的生物进化论和孟德尔对遗传本质的理解这样完整、全面且震撼世界的发现会轻易地出现。毕竟，这些伟大的理论已经被发现了！”

科学作家约翰·霍根（John Horgan）在其1996年的著作《科学的终结》（The End of Science）中，采访了很多杰出科学家，请他们谈谈对自己领域的科学发展前景的看法，他的采访结果并不鼓舞人心。比如，卓越的理论物理学家利奥·卡达诺夫（Leo Kadanoff）对科学新进展的看法：“真相是，现在根本没有和量子力学的发明或DNA双螺旋结构的发现或相对论的创立同等重要的科学发现。过去数十年来，并没有重量级的科学发现。”

霍根问卡达诺夫这种状况是否永久不变。卡达诺夫沉默片刻，才叹口气回答道：“一旦你已经证明了世界是合法的，而且令很多人都满意了，那么你就不能再次证明了。”

问题之中蕴藏着机遇

尽管很多人对科研回报在递减表示担忧，机构对科研回报持积极态度。

特朗普总统科学顾问——气象学家开尔文·德罗格梅尔（Kelvin Droegemeier）在2016年对美国参议院委员会的评论中声称：“科学发现的步伐在加快。”美国国家科学基金会（NSF）2018年的报告中，只字未提科研回报在递减的问题，而是乐观地谈论“可能的变革性研究，将会产生开创性发现，催生激动人心的科学新前沿”。

为什么出现这种回应？部分是因为一些科学家把承认科研回报在递减视为背叛科学共同体的自身利益。大多数科学家强烈支持更多的科研经费，他们喜欢以正面的方式描绘科学发展的前景，强调其好处而把科学的负面效应最小化。

尽管这一想法可以理解，证据却表明，单位成本或单位时间的科研投入的产出已经极大地减速了。这个证据需要大规模的机构响应，应该成为公共政策、资助机构和大学的一个重大研究课题。

更好地理解导致这一现象的原因很重要，而找到逆转这个现象的方法，是改善我们未来的重大机遇之一。

资料来源 nautil.us