對科學(xué)研究的新認(rèn)識

杜 鵬 沈 華 張 鳳,2

1 中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院 北京 100190

2 中國科學(xué)院大學(xué) 公共政策與管理學(xué)院 北京 100049

參考文獻(xiàn)（雙語版）

科學(xué)對人類社會的意義已經(jīng)毋庸置疑。盡管從全球來看，科學(xué)資助、人才培養(yǎng)、科學(xué)論文等的數(shù)據(jù)表現(xiàn)十分積極，但是在經(jīng)歷兩次科學(xué)革命之后，對于“科學(xué)是否正遭遇瓶頸期”“科學(xué)是無限的嗎”等的討論開始進(jìn)入科技界、政府乃至公眾的視野[1]。與此同時，新的科研范式正在形成，科學(xué)系統(tǒng)也在不斷變化。這一切給科學(xué)呈現(xiàn)出一幅復(fù)雜的圖景。

1 為什么需要重新認(rèn)識科學(xué)研究

1.1 科學(xué)受到前所未有的重視

當(dāng)今世界發(fā)展，科學(xué)與人類文明、國家福祉關(guān)系日益緊密，科學(xué)研究已成為破解全球難題的重要手段。進(jìn)入 21 世紀(jì)，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍期，各國科技競爭向基礎(chǔ)研究競爭前移；基礎(chǔ)研究引領(lǐng)科技創(chuàng)新的源頭作用愈加凸顯，已成為重塑世界格局、創(chuàng)造人類未來的主導(dǎo)力量。世界各國紛紛加強(qiáng)在未來科學(xué)和工程前沿、變革性原創(chuàng)探索、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新等方面的戰(zhàn)略布局。例如：美國發(fā)布《美國國家科學(xué)委員會：2030 愿景》（National Science Board: Vision 2030），推動基礎(chǔ)研究與應(yīng)用結(jié)合；英國發(fā)布《研究與開發(fā)路線圖》（UK Research and Development Roadmap）[2]；加大公共科研的資金投入；日本發(fā)布《綜合創(chuàng)新戰(zhàn)略 2020》，設(shè)立“探月火箭”（Moon Shoot）計劃，強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究在支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的作用，更加關(guān)注對重大科學(xué)問題的研究；歐盟第九研發(fā)框架計劃“地平線歐洲”（Horizon Europe）明確把使命導(dǎo)向政策作為重要著力點(diǎn)之一[3]，旨在通過目標(biāo)導(dǎo)向的研究提升競爭力。

中國高度重視科技創(chuàng)新，把科技創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置。2020年11月，習(xí)近平總書記在浦東開發(fā)開放 30 周年慶祝大會上指出：“科學(xué)技術(shù)從來沒有像今天這樣深刻影響著國家前途命運(yùn)，從來沒有像今天這樣深刻影響著人民幸福安康。我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展比過去任何時候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，更加需要增強(qiáng)創(chuàng)新這個第一動力?！?/p>

1.2 科學(xué)發(fā)展是否面臨瓶頸？

2018年，Collison 和 Nielsen[4]發(fā)起了一項調(diào)查：讓全球著名科學(xué)家比較各自領(lǐng)域諾貝爾獎獲獎成果的相對重要性，再根據(jù)比較情況來看 100年來獲獎成果的質(zhì)量變化。調(diào)查結(jié)果令人沮喪：物理學(xué)的黃金時代位于 20 世紀(jì) 20—30年代，在此之后，則出現(xiàn)了大幅下降，只在 20 世紀(jì) 60年代有了一些好轉(zhuǎn)。這意味著，在物理學(xué)家眼中，當(dāng)前物理學(xué)中產(chǎn)生的重大成果在 100年的歷史中似乎并不重要。對諾貝爾化學(xué)獎和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的調(diào)查結(jié)果比物理學(xué)要稍好一些，諾貝爾化學(xué)獎和諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎在 20 世紀(jì)后半葉有一些微小的進(jìn)步，但和物理學(xué)一樣，20 世紀(jì) 90年代和 21 世紀(jì)頭 10年也被忽略了。應(yīng)該說，相關(guān)調(diào)查存在著一定的局限性，但也反映出當(dāng)前重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)變得更加艱難的窘境。

當(dāng)前，科學(xué)并不能很好地解釋氣候變化、病毒、暗物質(zhì)、暗能量等諸多現(xiàn)象，這凸顯出科學(xué)的困境。如何產(chǎn)生新的科學(xué)見解來激發(fā)重塑世界的新技術(shù)？科學(xué)發(fā)展需要新的“科技革命”來引領(lǐng)新一輪發(fā)展。

實際上，也有很多科學(xué)家對科學(xué)的發(fā)展持樂觀態(tài)度，比如對希格斯粒子、引力波、人工智能、基因編輯技術(shù)等。我們很難估量當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究成果將對未來產(chǎn)生何種巨大影響，但是當(dāng)前的重大科研成果與過去相比需要更多的時間、經(jīng)費(fèi)和人員投入。如果科學(xué)研究的產(chǎn)出與投入不相稱，這對未來意味著什么？在這種情況下，科學(xué)共同體應(yīng)深入思考分析，找出扭轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象的方法，改善優(yōu)化未來科學(xué)發(fā)展路徑。

1.3 科學(xué)系統(tǒng)正在發(fā)生前所未有的變化

戰(zhàn)略目標(biāo)導(dǎo)向的科學(xué)研究正成為主導(dǎo)各國科技政策的主要思路，科學(xué)系統(tǒng)也由此發(fā)生了很大的變化。后常規(guī)科學(xué)、后學(xué)院科學(xué)、學(xué)術(shù)資本化、“模式 2”知識生產(chǎn)方式等新概念不斷出現(xiàn)，以試圖解釋、理解、推斷這種變化趨勢[5]。這些變化突出表現(xiàn)在 3 個方面。

（1）科學(xué)研究更注重目標(biāo)導(dǎo)向?？茖W(xué)研究的發(fā)展既有來自科學(xué)系統(tǒng)自身不斷拓展和深化的內(nèi)部需求動力，也有來自經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的動力。20 世紀(jì)開始，開展基礎(chǔ)研究的目的已逐步從好奇心驅(qū)動的純基礎(chǔ)研究（玻爾象限）轉(zhuǎn)向服務(wù)社會和國家需求的應(yīng)用導(dǎo)向基礎(chǔ)研究（巴斯德象限）[6]，更注重目標(biāo)牽引。

（2）科學(xué)研究組織性日益增強(qiáng)?？茖W(xué)研究通常需要多年持續(xù)探索積累，不確定因素多、風(fēng)險大。同時，科學(xué)研究的成本日漸增加，需要依賴更多的資源支持，重大科學(xué)成果往往是集體努力的結(jié)晶，科學(xué)家只有被納入國家或機(jī)構(gòu)的組織框架中才有較大可能成功。平均而言，從 20 世紀(jì)初到 20 世紀(jì)末，科研團(tuán)隊的規(guī)模幾乎增長了 3 倍，而且這種增長趨勢持續(xù)至今[7]。科學(xué)研究從原有的“小科學(xué)”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶】茖W(xué)”與“大科學(xué)”協(xié)同攻關(guān)的模式。科學(xué)研究的組織及相應(yīng)機(jī)制越來越成為促進(jìn)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（3）科學(xué)研究開放合作面臨挑戰(zhàn)。全球共同關(guān)心的氣候變化、人口健康等重大挑戰(zhàn)，以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙起源等重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，需要用整體（holistic）系統(tǒng)的思路來應(yīng)對。各國積極謀劃國際大科學(xué)計劃，通過整合全球資源和人才開展大團(tuán)隊合作共同應(yīng)對，體現(xiàn)了科學(xué)研究的普遍性、公有主義和無私利性。然而，在貿(mào)易保護(hù)主義和政治民粹主義的影響下，科學(xué)合作與交流也受到了前所未有的限制，源頭技術(shù)與首發(fā)權(quán)、話語權(quán)之爭日趨激烈。如何在競爭合作中保持科學(xué)研究的創(chuàng)新活力和能力，是各國需要思考和解決的問題。

2 重新認(rèn)識科學(xué)研究的對象、功能和方式

近年來，科學(xué)面臨形勢的變化及科學(xué)系統(tǒng)自身的變化呈現(xiàn)出科學(xué)知識生產(chǎn)過程中實用化趨向，科學(xué)研究的資源配置和知識消費(fèi)的供需關(guān)系也由此發(fā)生改變，重塑了科學(xué)、技術(shù)、創(chuàng)新之間的互動關(guān)系。這種變化在本質(zhì)上反映了科學(xué)研究在對象、功能、方式上的拓展。

2.1 科學(xué)研究對象的拓展

“自然的發(fā)現(xiàn)”被認(rèn)為是科學(xué)誕生的標(biāo)志，也就是科學(xué)的核心是用自然的東西來解釋自然而不訴諸超自然的神話[8]。其中，“自然”有 2 種含義：① 本質(zhì)、本性，通過追尋自然，探求事物的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律；② 與人造物相對的自然物，也就是自然系統(tǒng)。自然物是一種客觀存在，無需發(fā)現(xiàn)，因此“自然的發(fā)現(xiàn)”是指前者。但是，自然物能夠自主生長、自身涌現(xiàn)，具有自主性和內(nèi)在性。為此，亞里士多德將自然的 2 種含義統(tǒng)一起來，探尋自然物的本質(zhì)和規(guī)律就此成為古希臘科學(xué)和近代科學(xué)的核心目標(biāo)?？茖W(xué)的發(fā)展，也在不斷開拓認(rèn)識自然的邊界。

隨著科學(xué)體制化和職業(yè)化進(jìn)程的深入，科學(xué)研究的重要意義和可靠性不斷彰顯。19 世紀(jì)，以法拉第、麥克斯韋為代表的電磁學(xué)科學(xué)成果，開始同工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合起來。自此，科學(xué)理性和工匠傳統(tǒng)的結(jié)合，孕育了眾多的新興產(chǎn)業(yè)和人造系統(tǒng)，引發(fā)了人類生產(chǎn)和生活方式的根本改變。據(jù)估算，2020年，人類親手制造出的人造物質(zhì)量約為 1.1 萬億噸，與地球上所有生物質(zhì)量（干重）相近。如果保持現(xiàn)有發(fā)展趨勢，人造物質(zhì)量將在 20年后 3 倍于生物世界總質(zhì)量[9]。

由此，科學(xué)研究的對象正不斷從以自然系統(tǒng)為主拓展到自然系統(tǒng)、人造系統(tǒng)并重。人類的知識要素、技術(shù)要素日益復(fù)雜，在豐富科學(xué)研究對象的同時，也拓展了科學(xué)問題域，以認(rèn)識人工系統(tǒng)基本原理為主要目的的科學(xué)研究將占據(jù)越來越大的比重。

2.2 科學(xué)研究功能的拓展

科學(xué)研究的功能首先體現(xiàn)在對客觀世界的理性認(rèn)知與合理解釋之上，即以自然系統(tǒng)為對象，研究自然界的物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律，旨在發(fā)現(xiàn)自然系統(tǒng)的客觀規(guī)律。這也就意味著，知識本身即為目的，其主要價值不在于實用。這種觀念脫胎于古希臘自然哲學(xué)并影響至今。亞里士多德[10]認(rèn)為：“不論現(xiàn)在，還是最初，人都是由于好奇而開始哲學(xué)思考，……如若人們?yōu)榱藬[脫無知而進(jìn)行哲學(xué)思考，那么，很顯然他們是為了知而追求知識，并不以某種實用為目的?！迸c此同時，科學(xué)研究不僅意味著人類知識寶庫的擴(kuò)展，而且也體現(xiàn)了一種純粹的思想力量。近代科學(xué)的實證主義、人文主義和理性精神，成為歐洲宗教改革和啟蒙運(yùn)動的思想源泉，有力推動了歐洲民族國家的崛起和民主制度的建立，繼而實現(xiàn)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型?？茖W(xué)作為一種思想力量，在今天仍對人類的文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影響。

從 19 世紀(jì)的電力技術(shù)到 20 世紀(jì)能源、新材料、空間、生物等新興技術(shù)的興起，科學(xué)研究的作用充分彰顯。1945年7月，范內(nèi)瓦 · 布什（Vannevar Bush）[11]在提交美國政府的《科學(xué)：無盡的前沿》（Science: The Endless Frontier）中，首次明確提出了科學(xué)對于國家的重要性與必要性，認(rèn)為基礎(chǔ)研究是沒有明確應(yīng)用目的，以好奇心驅(qū)動的科學(xué)研究，是一切知識的源泉，并構(gòu)建了基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的“線性模型”。通過基礎(chǔ)研究能夠自然而然地獲得實用性的成果，即“無用之用”。

在各國國家創(chuàng)新體系的牽引下，科學(xué)研究發(fā)展到新階段，功能向更加實用拓展。在通過線性模型實現(xiàn)“無用之用”的基礎(chǔ)上，科技創(chuàng)新更加強(qiáng)調(diào)從工程實踐和技術(shù)開發(fā)實際中出發(fā)，凝練出的相關(guān)科學(xué)問題牽引著基礎(chǔ)研究不斷深入，通過反復(fù)迭代，使得創(chuàng)新周期大幅縮短。

具體來說，隨著科學(xué)方法、科學(xué)工具、科學(xué)實驗的發(fā)展，以及科學(xué)教育的建制化，技術(shù)向著知識化、科學(xué)化、系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變[12]。同時，科學(xué)研究的手段也越來越離不開技術(shù)和工程的支撐，技術(shù)是科學(xué)與傳統(tǒng)工匠技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，不僅僅是科學(xué)的簡單應(yīng)用[13]。例如，在信息通訊領(lǐng)域，從特殊場景到一般規(guī)律的逆向創(chuàng)新形式屢見不鮮。很多企業(yè)開發(fā)出滿足市場需求的具體產(chǎn)品，以實踐中發(fā)現(xiàn)和凝練的科學(xué)問題為牽引，通過基礎(chǔ)研究推動相關(guān)產(chǎn)品的不斷優(yōu)化升級。因此，很多技術(shù)產(chǎn)品不僅需要大量的工程技術(shù)實踐積累和經(jīng)驗判斷，而且需要解決工程技術(shù)實踐的原理性問題，以基礎(chǔ)原理和基礎(chǔ)理論作為根本依據(jù)。在科學(xué)家、工程師、企業(yè)家、智庫專家等眾多創(chuàng)新主體的密切協(xié)同下，科學(xué)與技術(shù)、發(fā)現(xiàn)與發(fā)明、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究不斷打破邊界，融會貫通，從而彰顯出技術(shù)科學(xué)的重要價值和作用[14]。

2.3 科學(xué)研究方式的拓展

1620年，弗朗西斯 · 培根（Francis Bacon）在《新工具》中描繪出“假說、實驗、結(jié)論”的科學(xué)方法輪廓。1660年，英國皇家學(xué)會成立，聚集了一批信奉培根方法的自然哲學(xué)家，也拉開了科學(xué)體制化的序幕。自此，實驗歸納和模型推演也成為科學(xué)研究的主要方法?？茖W(xué)研究在還原論的指導(dǎo)下取得了巨大成就，但在解釋生物機(jī)體和意識等方面仍遇到不少困難，特別在解決經(jīng)濟(jì)、社會等復(fù)雜問題時，更是如此。

20 世紀(jì)中期以后，計算機(jī)作為一種有效的方法工具，在解決各個學(xué)科的數(shù)值模擬、模型擬合、仿真和計算優(yōu)化問題方面發(fā)揮了重要作用，成為實驗歸納和模型推演的有益補(bǔ)充。當(dāng)前物理學(xué)非線性的前沿研究表明，在處理一些不可能解析的非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)時，計算機(jī)模擬可以將已知微觀客體的物理性質(zhì)與復(fù)雜系統(tǒng)的基本經(jīng)驗性定律聯(lián)系，提供了另一種（可能是新的）理解高度[15]。由于超算和人工智能的發(fā)展，計算機(jī)的處理能力越來越強(qiáng)，速度越來越快，加上復(fù)雜性科學(xué)的推動，更加放大了仿真模擬的價值。在一定程度上，可以把在科學(xué)研究中使用計算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，類比于生物學(xué)中使用顯微鏡的意義。

隨著 5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，無論是在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界，還是在現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)社會生活中，都很容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)所展現(xiàn)的力量。海量的數(shù)據(jù)、計算能力極大的提高、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等都在催生數(shù)據(jù)科學(xué)的產(chǎn)生。2007年1月，圖靈獎獲得者詹姆士 · 格雷（James Gray）以《e-Science：一種科研范式的變革》為題，在美國國家研究理事會計算機(jī)科學(xué)與通訊分會（NRCCSTB）大會上發(fā)表了著名的演講。在演講中，格雷將科學(xué)方法論意義上研究范式分為 4 類：除了之前已經(jīng)出現(xiàn)的實驗歸納、模型推演、仿真模擬之外，新的信息通信技術(shù)正在推動新的范式出現(xiàn)，即數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)[16]。格雷的預(yù)言在當(dāng)前已經(jīng)部分實現(xiàn)，海量數(shù)據(jù)已經(jīng)成為重要的科研基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)科學(xué)也將成為推動科研范式變革的有效突破口。

3 政策啟示

面對科學(xué)的復(fù)雜圖景需要打破傳統(tǒng)思維，在科學(xué)研究和科研資助中有效采用適應(yīng)和推動科學(xué)范式變革的理念和策略。

（1）要改革管理方式，加強(qiáng)學(xué)科領(lǐng)域之間、科學(xué)與技術(shù)工程之間、部門之間的協(xié)作。通過線性、反向、循環(huán)相結(jié)合的組織創(chuàng)新，探索建立多元化的管理模式，并配套相應(yīng)的部門協(xié)調(diào)機(jī)制和人、財、物管理體制，使得科研管理能適應(yīng)科學(xué)發(fā)展和學(xué)科交叉融通的需求。

（2）針對不同研究對象下的差異，細(xì)化分類支持政策。對自然系統(tǒng)的前沿探索以識人的方式，建立高度的競爭擇優(yōu)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上給予穩(wěn)定持續(xù)支持；對人造系統(tǒng)的研究加強(qiáng)實踐導(dǎo)向，強(qiáng)化團(tuán)隊協(xié)作和實際效果。

（3）要加強(qiáng)方法和平臺的支持力度，為推動范式變革提供支撐。支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動型科學(xué)研究的基礎(chǔ)算法模型、復(fù)雜系統(tǒng)的計算機(jī)模擬及相應(yīng)的通用技術(shù)方法，強(qiáng)化高端儀器和裝備研制、工具軟件研發(fā)、檢測和分析平臺等相關(guān)平臺建設(shè)，建立相應(yīng)的共享機(jī)制及政策保障制度。