大科學(xué)創(chuàng)新的進(jìn)步模式及其啟示

趙 煦，張 琰

（河海大學(xué)馬克思主義學(xué)院，江蘇 南京 210098）

目前，在自然科學(xué)領(lǐng)域，大科學(xué)已穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)著科學(xué)研究的主導(dǎo)地位。但直到目前為止，對(duì)大科創(chuàng)新模式的研究還沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)一的理論，還沒(méi)有系統(tǒng)概括出大科學(xué)創(chuàng)新的進(jìn)步模式。因此，探究從傳統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)新模式到大科學(xué)創(chuàng)新模式的演變，對(duì)我們未來(lái)的大科學(xué)的布局有著特殊的意義。

1 從物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論到超對(duì)稱理論

從建設(shè)到運(yùn)行，共耗資500多億美元，由來(lái)自全球80多個(gè)國(guó)家的約7000名科學(xué)家和工程師的參與，數(shù)十萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)到一起，位于地下 100米深的一個(gè)全長(zhǎng)約26.659公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道，經(jīng)過(guò)28年的建設(shè)才投入運(yùn)行。這組令人吃驚的數(shù)據(jù)是對(duì)目前世界上規(guī)模最大、能量最高的粒子加速器，即歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的真實(shí)描述。事實(shí)上，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是當(dāng)今大科學(xué)的一個(gè)典型?！八^大科學(xué)研究，是指規(guī)模巨大、人數(shù)眾多、投資龐大、并有相當(dāng)大的社會(huì)影響的綜合性的科學(xué)研究?！盵1]具體什么是大科學(xué)，到目前為止，尚未有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，但有學(xué)者認(rèn)為，項(xiàng)目總金額達(dá)到一億美元以上的涉及多學(xué)科的綜合研究，就可以被稱為大科學(xué)研究。大概從19世紀(jì)下半葉開(kāi)始，大科學(xué)便開(kāi)始逐漸顯現(xiàn)，到20世紀(jì)中葉，大科學(xué)漸趨成熟。二戰(zhàn)以后，大科學(xué)就迅速發(fā)展，占據(jù)了科學(xué)前沿各研究領(lǐng)域的核心地位。

歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)從設(shè)計(jì)到建設(shè)運(yùn)行，一直肩負(fù)著一個(gè)重要使命，就是探尋希格斯玻色子的存在，以驗(yàn)證物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的準(zhǔn)確性。因?yàn)槲锢韺W(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論是目前為微觀粒子世界作出解釋和說(shuō)明的最為成功的理論，該理論認(rèn)為構(gòu)成世界的基本物質(zhì)粒子共包含18種夸克、6種輕子、12種規(guī)范玻色子，另外每一種物質(zhì)粒子都有自己所對(duì)應(yīng)的反粒子（其中，規(guī)范玻色子本身就是自己的反粒子），因此，物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論主張，構(gòu)成世界的基本粒子至少有62種。不過(guò)，直到20世紀(jì)90年代，物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的所有基本粒子，只剩下1種沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，這種基本粒子就是希格斯玻色子。因此，希格斯玻色子是否存在，就成為驗(yàn)證物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的一個(gè)至關(guān)重要的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。正因?yàn)槿绱耍綄は８袼共Ｉ拥嫩欅E，就成了21世紀(jì)物理學(xué)向前推進(jìn)的一個(gè)重要前沿。

雖然，經(jīng)歷了諸多困難，終于在2012年7月，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的蹤跡，并導(dǎo)致了2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的誕生，為物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論畫(huà)上一個(gè)較為圓滿的階段性的句號(hào)。不過(guò)，科學(xué)有關(guān)世界的探索不會(huì)就此停止，人類關(guān)于世界的認(rèn)識(shí)永遠(yuǎn)在路上。物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論在粒子物理學(xué)領(lǐng)域取得了令人矚目的成績(jī)，但卻并未能解決所有問(wèn)題。

因?yàn)槌瑢?duì)稱理論告訴我們，宇宙誕生時(shí)，“大爆炸”產(chǎn)生了數(shù)量相同的物質(zhì)和反物質(zhì)。但不知什么原因，少量物質(zhì)幸存下來(lái)，形成了我們今天生活的世界，而反物質(zhì)卻消失得無(wú)影無(wú)蹤。因此，探尋反物質(zhì)、暗物質(zhì)的存在，驗(yàn)證超對(duì)稱理論正確與否，就必然下一階段物理學(xué)前沿推進(jìn)必然要面對(duì)的問(wèn)題。

2 傳統(tǒng)的科學(xué)進(jìn)步模式及其問(wèn)題

20世紀(jì)以后，科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生不再是緩慢的累積式的演進(jìn)，而是以一種爆發(fā)式的速度在跳躍式增長(zhǎng)，各門(mén)學(xué)科在高度綜合的同時(shí)又高度分化，呈現(xiàn)出整體化的特征。[2]特別是進(jìn)入到大科學(xué)時(shí)代以后，科學(xué)研究活動(dòng)的特征發(fā)生了顯著的變化，傳統(tǒng)的科學(xué)進(jìn)步模式已經(jīng)不能為科學(xué)活動(dòng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新問(wèn)題提供合理的說(shuō)明。

2.1 線性累積的邏輯分析

邏輯導(dǎo)向的科學(xué)進(jìn)步觀認(rèn)為，科學(xué)的發(fā)展是一個(gè)累積進(jìn)步的過(guò)程。從科學(xué)哲學(xué)史的歷程看，邏輯導(dǎo)向的科學(xué)進(jìn)步觀又分為實(shí)證主義進(jìn)步觀和證偽主義進(jìn)步觀兩個(gè)階段。雖然在邏輯導(dǎo)向的科學(xué)進(jìn)步觀內(nèi)部對(duì)科學(xué)進(jìn)步也有著不同的主張，但其總體上都是認(rèn)為科學(xué)理論是在不斷朝著真理，或者是在不斷逼近真理進(jìn)步的。不過(guò)，科學(xué)發(fā)展如果只是科學(xué)知識(shí)的積累，而且只表現(xiàn)為單一的量的積累，科學(xué)研究的過(guò)程也只是簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)歸納，那就必然會(huì)忽視人類在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的創(chuàng)造性，也就會(huì)忽視質(zhì)變的作用。[3]

與邏輯實(shí)證主義的證實(shí)原則一樣，波普爾的證偽主義理論及其證偽原則也同樣有著一定的片面性。波普爾認(rèn)為，一個(gè)科學(xué)理論一旦被經(jīng)驗(yàn)或邏輯證偽，就要拋棄這個(gè)理論。同時(shí)他指出，萬(wàn)事萬(wàn)物的發(fā)展都經(jīng)歷了從低級(jí)到高級(jí)的突變過(guò)程，進(jìn)而結(jié)合他的“三個(gè)世界”理論，認(rèn)為事物的發(fā)展從世界1突變到世界2，然后再突變到世界3。從表面上看，三個(gè)世界的突變過(guò)程似乎和大科學(xué)跳躍式進(jìn)步是一樣的，但從本質(zhì)上看，波普爾的這種理論突變?cè)谶壿嬌鲜沁B續(xù)的，是朝著一個(gè)固定不變的真理目標(biāo)不斷逼近的過(guò)程，而大科學(xué)發(fā)展的跳躍式進(jìn)步是沒(méi)有一個(gè)固定不變的目標(biāo)的。因此，波普爾在本質(zhì)上依然是一個(gè)邏輯主義者，他的這種線性的邏輯主義思想無(wú)法為大科學(xué)的進(jìn)步提供一個(gè)令人信服的解釋模式。

大科學(xué)項(xiàng)目的新目標(biāo)與之前所完成的科學(xué)目標(biāo)之間并不一定存在必然的邏輯演進(jìn)關(guān)系，不同的階段支撐大科學(xué)項(xiàng)目運(yùn)行的所要研究的理論對(duì)象的地位都是平等的。大科學(xué)的進(jìn)步表現(xiàn)為：在完成一項(xiàng)大科學(xué)研究后，又迅速轉(zhuǎn)向另一個(gè)與它可能是毫不相干的大科學(xué)研究，在不同的理論之間實(shí)現(xiàn)跳躍式的發(fā)展。

2.2 庫(kù)恩的科學(xué)革命進(jìn)步模式

以庫(kù)恩為代表的歷史主義學(xué)派對(duì)科學(xué)的進(jìn)步模式也進(jìn)行了深入的研究，他們既否定了邏輯實(shí)證主義關(guān)于科學(xué)理論的線性累積的進(jìn)步模式，也批評(píng)了批判理性主義對(duì)科學(xué)理論簡(jiǎn)單粗暴的否證，提出了一種動(dòng)態(tài)研究科學(xué)進(jìn)步的新模式。[4]庫(kù)恩在他的《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一書(shū)中指出，科學(xué)的進(jìn)步是科學(xué)新范式戰(zhàn)勝舊范式，新、舊范式更替的過(guò)程。他不同意波普爾的線性邏輯的科學(xué)進(jìn)步模式，而是把科學(xué)發(fā)展分為幾個(gè)階段：前科學(xué)、常規(guī)科學(xué)、科學(xué)革命、新的常規(guī)科學(xué)……在進(jìn)入常規(guī)科學(xué)以后，科學(xué)就不斷經(jīng)歷常規(guī)科學(xué)和科學(xué)革命的交替發(fā)展的循環(huán)進(jìn)步過(guò)程。

而大科學(xué)誕生以后的近百年科學(xué)史來(lái)看，大科學(xué)所開(kāi)展的項(xiàng)目和研究并沒(méi)有經(jīng)過(guò)前科學(xué)—常規(guī)科學(xué)—科學(xué)革命—新的常規(guī)科學(xué)這樣循環(huán)發(fā)展的現(xiàn)象，無(wú)論是大科學(xué)早期的典型代表——曼哈頓計(jì)劃、阿波羅計(jì)劃、國(guó)際空間站計(jì)劃，[5]還是今天的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。在大科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)一直保持著平穩(wěn)的進(jìn)步，沒(méi)有產(chǎn)生關(guān)于大科學(xué)的科學(xué)革命，也沒(méi)有關(guān)于大科學(xué)發(fā)展的新舊范式的轉(zhuǎn)換。此外，庫(kù)恩認(rèn)為，因?yàn)檎麄€(gè)科學(xué)的發(fā)展是非連續(xù)的，因此理性不是普遍的，科學(xué)的發(fā)展沒(méi)有一定的客觀規(guī)律和進(jìn)步目標(biāo)指向。同時(shí)，庫(kù)恩認(rèn)為，在不同歷史時(shí)期，不同的文化擁有不同的世界觀，并且不同時(shí)代的不同世界觀反映的均是在自己的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)所認(rèn)識(shí)的世界的某一部分。庫(kù)恩進(jìn)而主張，每一種世界觀都是正確的，但又都有片面性，都是相對(duì)存在的。[6]這樣一來(lái)，庫(kù)恩就陷入了非理性主義和相對(duì)主義之中。

3 大科學(xué)的跳躍式進(jìn)步模式

從大科學(xué)發(fā)展的實(shí)際情況看，我們可以發(fā)現(xiàn)用邏輯實(shí)證主義的線性積累的邏輯分析方法，還是用庫(kù)恩的科學(xué)革命的模式，都無(wú)法解釋大科學(xué)發(fā)展的進(jìn)步過(guò)程。以前文所述的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的前后的目標(biāo)變化為例，從大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始建設(shè)一直到希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之間的這一階段，尋找希格斯玻色子，驗(yàn)證物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，是該大科學(xué)項(xiàng)目的主要目標(biāo)，但希格斯玻色子一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其階段性任務(wù)完成了，該大科學(xué)項(xiàng)目就轉(zhuǎn)向了新的目標(biāo)——尋找反粒子、暗物質(zhì)，驗(yàn)證超對(duì)稱理論。

從大科學(xué)發(fā)展的具體過(guò)程中看，2012年希格斯玻色子的成功發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著一個(gè)大科學(xué)實(shí)驗(yàn)的完成。此后，無(wú)論是2015年我國(guó)的世界首顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)，還是2016年我國(guó)“墨子”號(hào)量子衛(wèi)星的發(fā)射、2017年我國(guó)貴州“天眼”望遠(yuǎn)鏡等，與歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)之間都不存在必然的邏輯演進(jìn)關(guān)系。上述大科學(xué)項(xiàng)目的開(kāi)展意味著大科學(xué)的進(jìn)步，并非邏輯實(shí)證主義者所主張的累積進(jìn)步或逼近真理的過(guò)程。而且，上述所有大科學(xué)項(xiàng)目都是地位平等，平行發(fā)展的，而不是如邏輯實(shí)證主義主張的那樣，舊理論被吸納到一個(gè)具有更大范圍，內(nèi)容更加豐富的后繼理論之中。同樣，大科學(xué)的進(jìn)步也并非像波普爾證偽主義所主張的科學(xué)進(jìn)步的過(guò)程，就是科學(xué)理論不斷被證偽的過(guò)程。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的這些大科學(xué)工程，我們也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如庫(kù)恩所說(shuō)的科學(xué)革命的發(fā)生，新舊范式的交替，甚至發(fā)現(xiàn)中微子具有質(zhì)量是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的沉重打擊的極大危機(jī)，但是也沒(méi)有改變標(biāo)準(zhǔn)模型在粒子物理學(xué)中的地位，也并沒(méi)有發(fā)生代替標(biāo)準(zhǔn)模型的科學(xué)革命。而且從這些先后開(kāi)展的大科學(xué)項(xiàng)目來(lái)看，大科學(xué)的進(jìn)步是跳躍的，是在一個(gè)大科學(xué)項(xiàng)目結(jié)束后選擇另一個(gè)大科學(xué)項(xiàng)目，且前后兩個(gè)大科學(xué)項(xiàng)目可能是毫不相干的，是跳躍式的向前發(fā)展。

通過(guò)邏輯實(shí)證主義和歷史主義的科學(xué)進(jìn)步模式與大科學(xué)所開(kāi)展的一系列項(xiàng)目的比較研究，我們發(fā)現(xiàn)大科學(xué)的進(jìn)步是非累積的，前后開(kāi)展的大科學(xué)項(xiàng)目之間不存在必然的遞進(jìn)關(guān)系。大科學(xué)的進(jìn)步是間斷的，一項(xiàng)大科學(xué)項(xiàng)目結(jié)束后可能會(huì)轉(zhuǎn)向另一個(gè)毫不相干的大科學(xué)目標(biāo)，比如說(shuō)上海的同步輻射光源和量子衛(wèi)星計(jì)劃之間是沒(méi)有什么相關(guān)性的。大科學(xué)的進(jìn)步是跳躍式前進(jìn)的，大科學(xué)項(xiàng)目的開(kāi)展會(huì)在問(wèn)題的引導(dǎo)下，根據(jù)實(shí)際情況的需要而進(jìn)行具體選擇，大科學(xué)開(kāi)展的前一個(gè)項(xiàng)目可能是在微觀領(lǐng)域的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，下一個(gè)項(xiàng)目就有可能跳躍到宇觀大尺度空間關(guān)于引力波的探測(cè)研究。此，近期我國(guó)還開(kāi)始獨(dú)立開(kāi)展了一批大科學(xué)計(jì)劃。研究大科學(xué)的問(wèn)題，借鑒國(guó)際上大科學(xué)計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)與得失，從中尋找啟示，是我國(guó)大科學(xué)健康發(fā)展的必經(jīng)之路。

4 大科學(xué)的進(jìn)步模式的啟示

近年來(lái)，我國(guó)科技投入不斷增長(zhǎng)，科研實(shí)力也不斷提高。經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)已有部分在國(guó)際領(lǐng)先的大科學(xué)項(xiàng)目嶄露頭角。目前正在建設(shè)之中的江門(mén)地下中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）可為代表。這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)模將比大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大100多倍，計(jì)劃運(yùn)行至少20年，以揭示更多宇宙奧秘，理解微觀的粒子物理規(guī)律，也將對(duì)宇宙學(xué)、天體物理乃至地球物理做出重大貢獻(xiàn)。[7]此外，位于我國(guó)四川的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室從4000立方米擴(kuò)容到12萬(wàn)立方米。錦屏隧洞最大埋深達(dá)2400米左右，實(shí)驗(yàn)室設(shè)立其中，就相當(dāng)于將實(shí)驗(yàn)室設(shè)在地下2400多米深的地方，超過(guò)了加拿大的巖石覆蓋厚度2000米的斯諾實(shí)驗(yàn)室，能將宇宙射線通量降到地面水平的約億分之一。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程將包括4組共8個(gè)實(shí)驗(yàn)室及其輔助設(shè)施，已于2015年年底完成土建工作，總?cè)莘e將從目前的4000立方米擴(kuò)容到12萬(wàn)立方米，能夠容納更多的深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目同時(shí)開(kāi)展，建成后將有望逐步發(fā)展成為國(guó)家級(jí)的面向世界開(kāi)放的基礎(chǔ)研究平臺(tái)，是開(kāi)展粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域中的暗物質(zhì)探測(cè)、雙 衰變、中微子振蕩、質(zhì)子衰變等重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場(chǎng)所，是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究所需的特殊環(huán)境，也是低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測(cè)的良好環(huán)境。[8]

21世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，不同學(xué)科的大科學(xué)項(xiàng)目的先后立項(xiàng)開(kāi)展，國(guó)與國(guó)合作的大科學(xué)項(xiàng)目也越來(lái)越多，大科學(xué)在科學(xué)前沿推進(jìn)中的作用已成為世界共識(shí)。發(fā)現(xiàn)和研究大科學(xué)的進(jìn)步模式與小科學(xué)科學(xué)的本質(zhì)區(qū)別，對(duì)于大科學(xué)的健康發(fā)展至關(guān)重要。從目前世界各國(guó)正在開(kāi)展的大科學(xué)項(xiàng)目看，大科學(xué)的開(kāi)展愈來(lái)愈需要發(fā)揮已有科學(xué)技術(shù)的橫向支持，來(lái)促進(jìn)其縱深發(fā)展，同時(shí)大科學(xué)項(xiàng)目的正常運(yùn)行需要?jiǎng)?chuàng)新組織和管理模式。這就對(duì)不同領(lǐng)域不同學(xué)科的科學(xué)家們提出了要求，要看到這種區(qū)別，更要用新眼光和新思維去看待大科學(xué)的變化，設(shè)計(jì)新項(xiàng)目，提出新概念，探索新領(lǐng)域。

雖然目前大科學(xué)面臨著種種問(wèn)題，但正處于科技發(fā)展上升期的我國(guó)卻必須全力融入國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃中，不僅如