增量式科學(xué)時代：論文數(shù)量狂飆增長，真正創(chuàng)新卻日漸稀缺

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：小葉

撰文 | 小葉

不可置否，重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破會徹底改變我們的生活，顛覆對世界的認(rèn)知、改變社會運(yùn)作。隨著科研隊伍不斷壯大，科研論文發(fā)表和技術(shù)專利數(shù)量增長迅猛，共同為推動科研技術(shù)生產(chǎn)力添加“新燃料”。然而，許多科學(xué)家們并不樂觀。相反，他們保持冷靜、客觀，始終關(guān)注科研發(fā)展方向問題，也時不時給大眾潑一潑冷水，告訴大家：科學(xué)技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)可能不容樂觀。

保守還是顛覆？

1996 年，《科學(xué)美國人》（Scientific American）雜志的資深撰稿人 John Horgan 采訪了諸多學(xué)界名家，在《科學(xué)的終結(jié)》（The end of science）一書中展示了科學(xué)家們對科學(xué)未來的深度思考。書中就不同學(xué)科提出了很多有趣問題，其中一個更是直擊 21 世紀(jì)以來的科學(xué)整體上所隱藏的重大危機(jī)：今天的科學(xué)是否已衰退到只能解答細(xì)枝末節(jié)的問題、只能修補(bǔ)現(xiàn)有理論的地步？ [1]

2023 年初發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上的一篇論文對于這個問題給出了近乎肯定的回答 [2]。要了解科學(xué)技術(shù)發(fā)展的程度，論文和專利是最直觀、簡潔的衡量標(biāo)準(zhǔn)。來自美國明尼蘇達(dá)大學(xué)（University of Minnesota）的 Russell J. Funk 與兩位同事定義了兩類突破性科研發(fā)現(xiàn)和專利技術(shù)：第一類是改進(jìn)現(xiàn)有的科學(xué)知識庫，發(fā)揮鞏固作用（consolidation）；第二類則是顛覆了現(xiàn)有的科學(xué)認(rèn)識，從而推動學(xué)科朝著某一全新方向發(fā)展，發(fā)揮顛覆性作用（disruptive）。

那么如何衡量是鞏固作用還是顛覆性作用呢？作者判斷，帶有鞏固性質(zhì)的論文及專利會更有可能引用該成果出現(xiàn)之前的相關(guān)研究，可能有可能承接已有知識；而對于顛覆性研究，其后續(xù)研究則不太可能引用之前的文章。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊提出了一個新指標(biāo)：CD 指數(shù)，以表征科技成果的鞏固或者顛覆傾向。該指數(shù)區(qū)間介于-1（鞏固）與 1（顛覆）之間，時間則限定在每篇論文 / 專利發(fā)表年份過后的五年，以 CD₅ 表示。

團(tuán)隊分析了 Web of Science（簡稱 WoS）上記錄的從 1945 到 2010 年的 2500 萬篇論文，美國專利和商標(biāo)辦公室（USPTO）專利瀏覽數(shù)據(jù)庫記錄的從 1976 到 2010 年的 390 萬份專利，以及其他四個額外數(shù)據(jù)庫：JSTOR、美國物理學(xué)會論文庫、微軟學(xué)術(shù)科學(xué)文獻(xiàn)及專利以及 PuBMed，總共囊括 2000 萬篇論文。通過 CD₅ 指數(shù)，一條條清晰的下沉曲線揭示了人類引以為豪的科技從上世紀(jì)中葉至今的走向：整體上，新科學(xué)知識和技術(shù)越來越不具顛覆性。在考察的所有學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，1945 年至 2010 年論文 / 專利的 CD₅ 指數(shù)下降了 91.9%。從上世紀(jì) 80 年代起，生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和物理學(xué)的 CD₅ 指數(shù)下降程度頗為溫和，而社會科學(xué)與技術(shù)方面的下降程度更顯著且持久，例如，這段時期內(nèi)，藥物和醫(yī)學(xué)技術(shù)方面的 CD₅ 指數(shù)下降比率達(dá)到 91.5%。

論文 / 專利文獻(xiàn)中的遣詞造句也被用來印證團(tuán)隊的觀點。顛覆性論文和專利更傾向于發(fā)明新詞、新術(shù)語，從而建立新的科學(xué)范式以區(qū)別于現(xiàn)有范式。而且，顛覆性的減少可能也會導(dǎo)致科學(xué)技術(shù)用詞（該研究分析了論文標(biāo)題用詞）多樣性的減少。

此外，文獻(xiàn)中的動詞選詞也發(fā)生了變化，隨著時間的推移，與“創(chuàng)造”、“發(fā)現(xiàn)”、“感知新事物”相關(guān)的動詞（具有顛覆性含義）使用頻率越來越低，而“改進(jìn)”、 “應(yīng)用”、 “評估現(xiàn)有事物”相關(guān)的動詞（具有鞏固含義）使用越來越頻繁。團(tuán)隊從文獻(xiàn)語言模式的角度也證明隨著時間的流逝，我們的科研發(fā)現(xiàn)和專利技術(shù)越來越滑向保守的境地，以鞏固現(xiàn)有知識為主要目的而非顛覆、創(chuàng)建新領(lǐng)域。

這篇論文登上了《自然》2023 年第一期的封面。在相關(guān)的新聞報道中，其他科學(xué)家也對此發(fā)表了自己的見解，伊利諾斯州埃文斯頓西北大學(xué)的計算社會科學(xué)家 Dashun Wang 表示：“很高興看到這種 [現(xiàn)象] 以如此細(xì)致的方式記錄下來，他們以 100 種不同的方式看待這個問題，我發(fā)現(xiàn)它總體上非常有說服力?！?strong>[3]

大投入，低回報

《自然》論文憑借扎實的數(shù)據(jù)打破了我們往日對科研顛覆性質(zhì)的樂觀濾鏡，事實上，早在多年前，學(xué)界就已注意到了另一個問題：我們培養(yǎng)出越來越多的科學(xué)家，國家、機(jī)構(gòu)投入越來越多的資金贊助科技成果，越來越多的論文隨之發(fā)表，然而科研生產(chǎn)力卻并沒有“水漲船高”。

2018 年 ，默克公司委托牛津經(jīng)濟(jì)研究院，在全球七個國家五個行業(yè)不同規(guī)模和類型的組織內(nèi)展開采訪調(diào)查，并對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行回顧，于 2021 年發(fā)表了《科研生產(chǎn)力現(xiàn)狀》報告 [4]，牛津團(tuán)隊將科研生產(chǎn)力定義為科研活動投入與科研成果產(chǎn)出之間的關(guān)系。除了基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，團(tuán)隊添加了實驗開發(fā)用于反映科研成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品的過程，三者之間緊密關(guān)聯(lián)，相輔相成。另外，團(tuán)隊采用論文發(fā)表和專利授權(quán)數(shù)量等作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，從一定程度上說明了科研生產(chǎn)力的變化趨勢。

首先，近半個多世紀(jì)以來，全球論文發(fā)表數(shù)量呈顯著增長趨勢。2018 年，美國自然科學(xué)基金會報告 [5] 從 2008 年至 2018 年，全世界同行評議科學(xué)和工程類期刊論文以及會議論文數(shù)量以平均每年約 3.8% 的速度增長。同年，國際科學(xué)、技術(shù)和醫(yī)學(xué)出版商協(xié)會（STM）則統(tǒng)計出，自 17 世紀(jì)以來同行評審期刊數(shù)量以每年 3.5% 的速度穩(wěn)步增長，2008 年至 2018 年增速達(dá)到每年 5%-6%，每年平均發(fā)表 150 萬至 300 萬篇文章 [6]。

與論文數(shù)量增長密切相關(guān)的還有研究人員數(shù)量的增長，根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的最新 [7] 統(tǒng)計，從 2014 年至 2018 年，全球全時工作當(dāng)量（FTE）研究人員數(shù)量增加的速度（13.7%）是全球人口增長速度（4.6%）的 3 倍，截至 2018 年，全球總計有 885.4 萬名 FTE 研究人員。

充沛的科研人員數(shù)量和論文發(fā)表是推動科研生產(chǎn)力的一大重要支柱，而另一支柱則是贊助資金的投入。以科研經(jīng)費(fèi)全球第一的美國為例，美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）統(tǒng)計了從上世紀(jì) 50 年代截至 2019 年全美研發(fā)經(jīng)費(fèi)總量投入趨勢，長勢迅猛。（見下圖）[8]，近幾年，中國也迎頭趕上：2016 年至 2021 年，我國研發(fā)經(jīng)費(fèi)年均增長 12.3%，已明顯高于美國（7.8%），全國經(jīng)費(fèi)投入總量達(dá)到 2.8 萬億元，且連續(xù) 6 年保持兩位數(shù)增長。[9]

科研界人力和財力的高投入讓科研論文數(shù)量生產(chǎn)力節(jié)節(jié)攀升，但諸多跡象表明，數(shù)量的增長并沒有帶來質(zhì)量的提升：五花八門的期刊降低了論文發(fā)表的難度；“研究膨脹”導(dǎo)致更多低質(zhì)量研究不斷涌現(xiàn)，其他研究人員往往無法復(fù)現(xiàn)低質(zhì)量研究中的實驗結(jié)果；此外，因錯誤和學(xué)術(shù)不端行為導(dǎo)致的撤稿論文比例也不斷攀升。

海量的論文發(fā)表不但不能反映科學(xué)發(fā)展的真實情況，反而還可能阻礙科學(xué)發(fā)展。2021 年 8 月一篇發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上的研究 [10] 分析了 1960 年至 2014 年間超過 9000 萬篇論文的 18 億條引用記錄，揭示了論文引用存在明顯的差異：發(fā)表的論文很多，但大量被引用的論文只是少數(shù)。一個領(lǐng)域的年發(fā)文量越多，前一年被大量引用的論文到了下一年仍然被高引用，從而吸引了絕大部分研究人員的注意，忽視了新發(fā)表的論文，這便是科研界的“階級固化”現(xiàn)象。而且團(tuán)隊還得出了與《自然》封面論文類似的結(jié)論，并擔(dān)憂保守化傾向容易導(dǎo)致科研“壟斷”現(xiàn)象。[11]

另一方面，在應(yīng)用和實驗開發(fā)這兩個與實際生產(chǎn)以及經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系更密切的層面，牛津團(tuán)隊以每百萬美元 / 歐元研發(fā)支出的專利申請和授予數(shù)量作為衡量科研生產(chǎn)力的標(biāo)準(zhǔn)（注：報告承認(rèn)該方法沒有考慮專利質(zhì)量、影響力和實用性，故結(jié)論更偏向于說明性而非確定性），發(fā)現(xiàn)除中國、日本外，許多國家的專利申請和授權(quán)數(shù)量或基本持平或有所下降，說明相應(yīng)的應(yīng)用研發(fā)生產(chǎn)力呈停滯甚至下滑趨勢。

以電子行業(yè)為例，雖然摩爾定律預(yù)測計算機(jī)芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番，但實際情況卻并非如此。2020 年發(fā)表在《美國經(jīng)濟(jì)評論》（American Economic Review）上的分析文章指出 [12]，與上世紀(jì) 70 年代相比，如今要實現(xiàn)芯片密度指數(shù)級增長的難度是 50 多年前的 18 倍，而研發(fā)生產(chǎn)力則以每年 6.8% 的速度在下降。與此同時，新一代電子技術(shù)要求更多研發(fā)資源，迭代更新成本增加 35%，“無晶圓廠”半導(dǎo)體公司的下一代工藝成本更是將增加 60%[13]。

科研生產(chǎn)力下降的原因

面對科研顛覆性降低、科研生產(chǎn)力下滑的復(fù)雜現(xiàn)狀，學(xué)界仍在探索其深層原因，不同專家學(xué)者提出了各種可能原因。對于實際的科研工作者，可能很多問題是老生常談。

“科研負(fù)擔(dān)”（the burden of research）理論 [14] 是其中之一，也就是說，科學(xué)發(fā)展至今日，要全面透徹掌握專業(yè)領(lǐng)域，從學(xué)生時代起到成為科研人員，必須不停學(xué)習(xí)海量現(xiàn)有的相關(guān)專業(yè)知識，還要及時跟進(jìn)新出現(xiàn)的知識，科學(xué)知識整體上呈爆炸式增長勢頭，那需要突破專業(yè)領(lǐng)域邊界的時間戰(zhàn)線也被拉長，更不要說真正顛覆一門學(xué)科。

被專業(yè)知識浪潮卷暈的科學(xué)家和發(fā)明家們還往往“囿于垂直的專業(yè)知識領(lǐng)域，如同鉆牛角尖般陷入更狹窄的研究課題，結(jié)果往往只能忙于鞏固完善，而不去考慮顛覆”[13]，這是今年《自然》封面論文第一作者 Michel Park 給出的見解。作者也承認(rèn)，科學(xué)知識的增長對論文顛覆性有積極影響，但對專利發(fā)明卻有消極影響。因此，為了促進(jìn)顛覆性的科技成果出現(xiàn)，團(tuán)隊建議科學(xué)家們更廣泛地閱讀，擴(kuò)展自己對前沿知識的認(rèn)知范圍。

鑒于現(xiàn)在的科研建立在數(shù)百年的成果累積，不斷將學(xué)科前沿推得更遠(yuǎn)，“低垂的果實”（low-hanging fruit）理論來源于經(jīng)濟(jì)學(xué)，即一棵果樹上總有一些果子結(jié)果位置低，人們伸手就能摘得，因此也很快被摘完，而果實位置越高，摘取難度也越大，付出成本也越大。這一模式也適用于解釋科研界的發(fā)展現(xiàn)狀 [15]。站在現(xiàn)有科學(xué)知識的基石上，帶有那么一點創(chuàng)新、能鞏固已有基石的科學(xué)觀點猶如“低垂的果實”，更容易得手，但競爭往往激烈，且會越摘越少。剩下的是那些懸在高處的果實，即那些或可顛覆一門學(xué)科的現(xiàn)有成果、或引導(dǎo)開創(chuàng)學(xué)科內(nèi)全新領(lǐng)域的科學(xué)觀點，摘取難度只會越來越大，不僅對科研人員本身實力的要求極大，而且還涉及很多其他實際相關(guān)利益，例如團(tuán)隊規(guī)模、經(jīng)費(fèi)申請等。

前面提到的幾個因素，基本從科研內(nèi)容本身出發(fā)，而更多的問題出現(xiàn)于科研環(huán)境自身。

《科研生產(chǎn)力現(xiàn)狀》報告直接總結(jié)出四個主要科研生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響的因素：因科研團(tuán)隊規(guī)模和專業(yè)度提高帶來的行政負(fù)擔(dān)；“唯論文”式的科研評價體系；合作與“外包”的失衡；以及許多國家資金支持的增長放緩，并指出美國政府在實驗開發(fā)方面的資金支持比基礎(chǔ)研究或應(yīng)用研究要低。

科學(xué)未來怎么走？

如今，科學(xué)發(fā)展似乎向著以鞏固科學(xué)知識為目標(biāo)的方向前進(jìn)，相對于上個世紀(jì)，前進(jìn)步伐、生產(chǎn)力也有所放緩，可以說我們進(jìn)入了一個相對平穩(wěn)的增量式科學(xué)時代。Funk 告訴《自然》：“一個健康的科學(xué)生態(tài)系統(tǒng)既包含對之前工作的鞏固改進(jìn)，也包括新的顛覆性發(fā)現(xiàn)，但研究的性質(zhì)正在發(fā)生變化。隨著漸進(jìn)型創(chuàng)新越來越普遍，未來可能需要更長的時間才能取得明顯推動科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵突破。”

不過也有科學(xué)家認(rèn)為不該極端地在增量式科學(xué)和顛覆式科學(xué)中做非此即彼的選擇，王大順認(rèn)為，顛覆性并非本質(zhì)上是好的，增量式科學(xué)也不一定是壞的，二者健康組合有時能帶來巨大驚喜，例如第一次直接觀測引力波既是革命性的，也是增量科學(xué)的產(chǎn)物。亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院科學(xué)技術(shù)政策專家 John Walsh 則表示，理想情況是將增量研究和顛覆性研究健康地結(jié)合起來。他說：“在一個我們關(guān)注研究結(jié)果有效性的世界里，有更多的重復(fù)和復(fù)現(xiàn)可能是一件好事?！?strong>[3]

如今，隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)有論文中加入了人工智能作者，它可以輕松學(xué)習(xí)海量的已有知識，這或許會為我們的增量式科學(xué)時代帶來新的變化。

參考資料

• [1] [美] 約翰?霍根（John Horgan）. 科學(xué)的終結(jié)（修訂版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2017

• [2] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05543-x

• [3] https://www.nature.com/articles/d41586-022-04577-5

• [4] https://www.merckgroup.com.cn/content/dam/web/corporate/non-images/scientific-research-productivity/Scientific-Research-Productivity-White-Paper-CN.pdf

• [5] https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20206/

• [6] https://www.stm-assoc.org/2018_10_04_STM_Report_2018.pdf

• [7] https://www.unesco.org/reports/science/2021/en

• [8] https://www.aaas.org/programs/r-d-budget-and-policy/federal-rd-budget-dashboard?adobe_mc=MCMID%3D09531021069138174360329634836522590377%7CMCORGID%3D242B6472541199F70A4C98A6%2540AdobeOrg%7CTS%3D1673799539

• [9] http://www.gov.cn/xinwen/2022-08/31/content_5707595.htm

• [10] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2021636118

• [11] https://www.linkresearcher.com/information/7da728b6-9a5d-4f40-be4e-a779acb3fc09

• [12] https://www.aeaweb.org/articles?id=10.1257/aer.20180338

• [13] https://ide.mit.edu/wp-content/uploads/2017/12/IDE-Research-Brief_v1217.pdf?x96981#:~:text=Across%20a%20broad%20range%20of,will%20slow%20in%20advanced%20nations.

• [14] https://www.zmescience.com/science/news-science/is-science-going-through-an-existential-crisis-there-are-more-research-papers-than-ever-but-innovation-is-sorely-missed/

• [15] Cowen, T. The Great Stagnation: How America Ate All the Low-Hanging Fruit of Modern History, Got Sick, and Will (Eventually) Feel Better (Penguin, 2011).

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