科研最好時代不再？The Atlantic：科學發現速度正在放緩，效率不斷降低

作家斯圖爾特·布蘭德(Stewart Brand)曾經寫道:「科學是唯一的新聞。」儘管新聞標題主要是政治、經濟和八卦，但科學和技術在很大程度上支撐著人類福祉的進步和人類文明的長期進步。這反映在科學領域公共投資的驚人增長上。今天，科學家越來越多，科研經費越來越多，發表的科學論文也越來越多:

從表面上看，這是令人鼓舞的。但是，儘管我們付出了這麼多努力，我們對科學的理解是否會相應增加呢?科學發現的進展是不是積極、樂觀的?

用有意義的方式來衡量科學進步是非常困難的。部分問題在於，很難準確評估任何一項科學發現的重要性。

但是，即使很難評估科學工作的重要性，也有必要做出這樣的評估。我們需要這些評估來授予科學獎項，並決定哪些科學家應該被聘用或接受資助。在每一種情況下，標準的方法是詢問獨立科學家對相關工作的意見。這種方法並不完美，但它是我們擁有的最好的系統。

據此，大西洋月刊進行了一項調查，要求科學家比較各自領域中獲得諾貝爾獎的發現。然後，我們利用這些排名來確定科學家們如何看待諾貝爾獎獲獎的發現質量在過去幾十年中發生的變化。

1910年到1930年是物理學的黃金時代

在獲得物理學獎方面，大西洋月刊調查了來自世界頂級物理系的93名物理學家(根據上海世界大學排名)，他們評判了1370對發現。下圖中的條形圖顯示了每十年的得分情況。

前十年表現不佳。在那十年里，諾貝爾委員會仍然在努力搞清楚這個獎到底是為了什麼。但到了1910年，這些獎項大多授予符合現代物理學概念的發現。

從20世紀10年代到30年代是物理學的黃金時代。這是量子力學發明的時代，這是有史以來最偉大的科學發現之一，這一發現徹底改變了我們對現實的理解。它還見證了其他幾次革命:x射線結晶學的發明，它讓我們探索原子世界;中子和反物質的發現;發現了許多關於放射性和核力的基本事實。這是科學史上最偉大的時期之一。

在這段時期之後，科研成果出現了大幅度下降，在1960年代出現了部分復甦。這是由於兩個發現:宇宙-微波背景輻射和粒子物理的標準模型，粒子物理是構成宇宙的基本粒子和力的最佳理論。即使有了這些發現，物理學家們仍然認為，從20世紀40年代到80年代的每十年都不及20世紀10年代到30年代最糟糕的每十年。物理學家們自己判斷，物理學中最偉大的發現變得不那麼重要了。

圖錶停在20世紀80年代末。原因是近年來，諾貝爾委員會更傾向於對上世紀八七十年代所做的工作進行頒獎。事實上，自1990年以來，只有三項發現獲得了諾貝爾獎。這太少了，無法得到20世紀90年代的高質量評估，所以沒有調查這些獎項。

對調查可以提出許多合理的反對意見。也許被調查的物理學家有某種偏見，或者他們對獲獎的發現還沒有完全理解。如前所述，很難確定一個發現比另一個發現更重要意味著什麼。然而，科學家的判斷仍然是我們比較發現的最好方法。

科學發現效率正在大大降低

即使物理學表現不盡如人意，但其他領域是否會表現的更好? 我們對諾貝爾化學獎和諾貝爾生理學或醫學獎進行了類似的調查。以下是調查結果：

結果比物理學稍微令人鼓舞一些，因為在20世紀下半葉有一個小小的進步。與物理學一樣，20世紀90年代和21世紀頭十年被忽略了，因為諾貝爾委員會更傾向於早期的研究:20世紀90年代和21世紀頭十年的研究獲得的獎項比前幾十年的任何十年都要少。

這項調查描繪的圖景是暗淡的:在過去的一個世紀里，我們在科學上投入了大量的時間和金錢，但是根據科學家們自己的判斷，我們正在以近乎恆定的速度取得最重要的突破。按美元或人均計算，這表明科學的效率正在大大降低。

現在，批評家可能會回應說，諾貝爾獎發現的質量與科學的整體進步速度是不一樣的。這一措施當然有許多局限性。諾貝爾獎不包括某些科學領域，特別是計算機科學等較新的領域。諾貝爾委員會偶爾會錯過一些重要的工作。也許一些偏見意味著科學家更有可能崇敬早時期的獎項。或許更重要的是基礎科學工作，即構成科學大部分的普通發現。

我們認識到這些局限性:調查結果令人震驚，但只提供了部分情況。然而，我們很快就會看到有力的證據表明，要在所有領域都取得重大發現正變得越來越困難。它需要更大的團隊和更廣泛的科學培訓，而整體經濟影響正變得越來越小。綜上所述，這些結果表明我們的科學努力的回報在不斷減少。

當我們向同事報告這些收益遞減時，他們有時會告訴我們這是無稽之談，並堅稱科學正在經歷一個黃金時代。他們指出，最近驚人的發現，如希格斯粒子和引力波，證明科學發展比以往任何時候都更好。

這些確實是驚人的發現。但前幾代人的發現也是同樣引人注目的。例如，將引力波的發現與愛因斯坦1915年發現廣義相對論進行比較。廣義相對論不僅預測了引力波，而且從根本上改變了我們對空間、時間、質量、能量和重力的理解。引力波的發現，雖然在技術上令人印象深刻，但在改變我們對宇宙的認識方面，作用卻小得多。

雖然希格斯粒子的發現是了不起的，但與上世紀30年代發現的眾多粒子相比，它就相形見絀了。這些粒子包括中子和正電子。從某種意義上說，希格斯粒子的發現是非凡的，因為這類發現在20世紀上半葉也很常見，但在近幾十年里卻很罕見。

AI及CRISPR也無法媲美上世紀重大發現

另一種常見的反應是，有人說科學比以往任何時候都更好，因為他們自己的領域正在取得巨大進步。我們經常聽到關於人工智慧(AI)和CRISPR基因編輯技術在生物學中的應用。但是，儘管人工智慧、CRISPR和類似的領域發展迅速，但在整個現代科學史上，一直都有一些領域和人工智慧一樣火爆或更火爆。

考慮一下1924年到1928年之間物理學的進步。在這段時間裡，物理學家了解到物質的基本成分既有粒子又有波的性質;他們制定了量子力學的定律，導致了海森堡的不確定原理;他們預測反物質的存在;還有許多其他大事情。正如Paul Dirac所說，那是一個「即使二流物理學家也能做出一流發現」的時代。

相比之下，過去幾年人工智慧的主要發現包括識別圖像和人類語言能力的提高，以及戰勝人類圍棋玩家的能力。這些都是重要的結果，我們樂觀地認為人工智慧的工作將在未來幾十年產生巨大的影響。但產生這些成果需要投入更多的時間、金錢和努力，而且還不清楚它們是否比20世紀20年代發現的現實新排序更重要。

與此類似，CRISPR在過去幾年裡也取得了許多突破，包括修改人類胚胎以糾正一種遺傳性心臟病，以及創造出一種能夠將抗瘧疾基因傳播到整個蚊子種群的新型蚊子。但是，儘管這些實驗室的原理證明是顯著的，CRISPR的長期潛力是巨大的，但這些近期的結果並不比過去生物學快速發展時期的結果更令人印象深刻。

諾貝爾獲獎者平均年齡提高十歲

經濟學家Benjamin Jones和Bruce Weinberg的研究給出了這個問題的部分答案。他們研究了科學家做出重大發現時的年齡。他們發現，在獲得諾貝爾獎的早期，未來的諾貝爾科學家在獲得諾貝爾獎時平均年齡為37歲。但是最近，這個數字上升到平均47年，增加了科學家工作生涯的四分之一時間。

也許今天的科學家需要獲取更多的知識才能做出重大發現。因此，他們需要更長時間的學習，所以他們在較大的年紀，才能獲得最重大的發現。也就是說，偉大的發現正變得越來越難。如果它們更難發現，那就意味著它們的數量將會減少，或者發現它們將需要更多的努力。

與此類似，如今的科學合作涉及的人數往往比一個世紀前多得多。Ernest Rutherford於1911年發現了原子核，他在一篇論文中只發表了一位作者:他自己。相比之下，2012年發表的兩篇宣布發現希格斯粒子的論文，每一篇大約有1000名作者。平均而言，研究團隊的規模在20世紀增長了近四倍，這種增長一直持續到今天。對於許多研究問題，它需要更多的技能、昂貴的設備和一支龐大的團隊才能在今天取得進展。

科學發現變得越來越難

假設我們認為科學——對自然的探索——就像對新大陸的探索一樣。在早期，人們知之甚少。探險者們出發了，輕鬆地發現了主要的新特徵。但是他們逐漸地補充了新大陸的知識。為了取得重大發現，探險者必須在越來越困難的條件下前往越來越偏遠的地區。探索變得困難。在這種觀點看來，科學是一個有限的領域，需要更多的努力來「填滿地圖」。「總有一天，這張地圖將接近完滿，科學將在很大程度上枯竭。」按照這種觀點，任何發現難度的增加都是科學知識結構本身所固有的。

這一觀點的原型來自於基礎物理學，在該領域，許多人著迷於尋找「萬物理論」，一個解釋我們在世界上看到的所有基本粒子和力的理論。這種理論我們只能發現一次。如果你認為這是科學的首要目標，那麼它確實是一個有限的前沿。

但是有一種不同的觀點，這種觀點認為科學是一個無窮無盡的前沿，總是有新的現象需要發現，有新的重大問題需要回答。以水為例。有描述單個水分子行為的方程是一回事。要理解為什麼彩虹在天空中形成，或者海浪的撞擊，或者太空中我們稱之為彗星的臟雪球的起源是完全不同的另一回事。所有這些都是「水」，但複雜程度不同。

但這並不一定意味著會有無窮無盡的新現象被發現，新問題被解答。但在某些領域，這似乎是可能的。例如，計算機科學始於1936年，當時阿蘭·圖靈開發了計算的數學模型，我們現在稱之為圖靈機。那個模型非常簡陋，幾乎就像一個孩子的玩具。然而，這個模型在數學上與今天的計算機是等價的:計算機科學實際上是從它的「萬物理論」開始的。「儘管如此，自那以後，它已經看到了許多非凡的發現:比如構成互聯網商務和加密貨幣基礎的加密協議;編程語言設計中無窮無盡的美麗想法;更奇怪的是，最受歡迎的電子遊戲中也出現了一些富有想像力的想法。

同樣地，隨著我們有能力編輯基因組，合成新生物，更好地理解生物基因組與其形式和行為之間的關係，生物學的新領域也有可能繼續打開。物理和化學領域也可能發生類似的事情，比如可編程物質和物質的新設計階段。在每一種情況下，新現象都提出了新問題，其內容可能是無止境的。

所以樂觀的觀點是，科學是一個無限的前沿，我們將繼續發現，甚至創造全新的領域。如果我們今天看到增長放緩，那是因為科學仍然過於關注已經確立的領域，而這些領域正變得越來越難以取得進展。我們希望，未來新領域將更加迅速地湧現，產生新的重大問題。這是科學加速發展的機會。

科學回報遞減

如果科學正在遭受收益遞減的痛苦，這對我們的未來意味著什麼?在過去的一個世紀里，我們的世界已經發生了巨大的變化，而激發這種新技術的新科學見解會越來越少嗎?事實上，經濟學家已經發現了這種情況正在發生的證據，他們稱之為生產率放緩。

當經濟學家談到生產率放緩時，他們是在以一種特殊的方式使用「生產率」，儘管這種方式與日常意義很接近：粗略地說，工人的生產率是製造東西的獨創性。因此，當我們開發新技術，並完成更容易製造東西的發現時，生產力就會增長。

例如，1909年，德國化學家Fritz Haber發現了固氮，這是從空氣中提取氮並將其轉化為氨的一種方法。然後，這些氨可以被用來製造肥料。這些肥料讓同樣數量的工人生產更多的食物，因此生產力提高了。

生產率增長是一個社會經濟健康的標誌，這個社會是一個不斷產生想法、提高創造財富能力的社會。壞消息是，美國的生產率增長正在大幅下降。自20世紀50年代以來，這一數字一直在下降，當時的水平大約是今天的6倍。

這聽起來可能令人驚訝。在過去的幾十年里，我們難道沒有看到許多發明嗎?如今不是加速技術變革的黃金時代嗎?

經濟學家Tyler Cowen和Robert Gordon辯稱，事實並非如此。在他們的著作《美國經濟增長的大停滯與興衰》(The Great Stagnation and The Rise and Fall of American Growth)中，他們指出，20世紀初出現了許多強大的通用技術的大規模應用:電力、內燃機、無線電、電話、航空旅行、裝配線、化肥等等。

相比之下，他們整理的經濟數據顯示，自上世紀70年代以來，情況卻不容樂觀。是的，我們已經在兩種強大的通用技術上取得了進展:計算機和互聯網。但許多其他技術的改進只是漸進式的。

例如，想想汽車、航空旅行和太空計劃在1910年至1970年間改變了我們社會的方式，豐富了人們對世界的體驗。到1970年，這些形式的旅行已經達到了接近現代形式的程度，而諸如協和式飛機和阿波羅計劃等雄心勃勃的項目基本上未能進一步擴大交通運輸。也許像自動駕駛汽車這樣的技術會在未來帶來交通運輸的巨大變化。但是，與過去相比，最近在運輸方面的進展是漸進式的。

什麼原因導致生產率下降?經濟學家對這一問題存在爭議，並提出了許多不同的答案。一些人認為，這僅僅是因為現有的生產率衡量方法不能很好地衡量新技術的影響。我們在這裡的論點提出了另一種解釋，即在科學上的支出回報的減少正在導致真正的生產率放緩。

我們並不是第一批認為科學發現正顯示出收益遞減的人。1971年，著名生物學家本Bentley Glass在《科學》雜誌上撰文指出，科學的輝煌時代已經結束，最重要的發現已經完成。

在1996年出版的《科學的終結》(The End of Science)一書中，科學作家John Horgan採訪了許多頂尖的科學家，並向他們詢問了他們自己領域的進展前景。 他發現的並不令人鼓舞。例如，著名的理論物理學家Leo Kadanoff就最近的科學進展說:

事實是，沒有任何東西——沒有任何東西——具有量子力學、雙螺旋或相對論的發明所帶來的同等量級的成就。在過去的幾十年里，這樣的事情從未發生過。

然而，儘管許多人對科學回報的遞減提出了擔憂，但很少有機構做出回應。目前被提名為唐納德·特朗普總統科學顧問的氣象學家Kelvin Droegemeier在2016年對美國參議院一個委員會發表的講話中稱，「發現的步伐正在加快」。美國國家科學基金會在2018年的報告中沒有提到回報遞減的問題，而是樂觀地談到「具有潛在變革意義的研究，將產生開創性的發現，並推動令人興奮的科學新前沿」。當然，許多科學機構——尤其是新機構——的目標是找到在各自領域中運作的改進方法。但這與有組織的機構應對收益遞減不同。

也許這種缺乏反應的部分原因是，一些科學家認為承認收益遞減違背了科學家的集體利益。大多數科學家強烈支持增加研究經費。他們喜歡用積極的態度來描述科學，強調益處，盡量減少負面影響。雖然可以理解，但有證據表明，每花一美元或一小時，科學發展就會大幅放緩。這一證據需要大規模的機構回應。它應該成為公共政策、資助機構和大學的一個主要學科。更好地理解這一現象的原因是很重要的，找出扭轉這一現象的方法是改善我們未來的最大機會之一。

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