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科学进步的未来:一个比喻性的总结

已有 3678 次阅读 2015-1-6 12:33 |个人分类:科技政策|系统分类:观点评述|关键词:科学进步,科技政策| 科技政策, 科学进步

说明:本文是拙著《科学的进步:表现与动力》(科学技术文献出版社2014年10月)的最后一章。



科学进步的未来:一个比喻性的总结



本书前面各章用科学史中的若干案例说明了,科学是在不断进步着的,其核心的标志就是通过不断更新的描述、解释、预测和方法,使我们的认知从不完备到较完备、从不精确到较精确、知之甚少到知之甚多。科学进步的路径是多元化的,科学共同体通过辩护、技术、竞争与合作等来淘汰他们认为不成熟的科学事实、科学理论,而让那些被普遍接受的科学事实和理论存活下来。科学进步也受到应用、利益、机制和文化等因素的影响,它们或者加速科学进步或者阻碍科学进步。

本章试图做一个总结。在总结之前,先简要说明科学进步、技术创新与经济、社会之间的关系。因为在中国的语境里,科学进步、技术创新常常简化为科技创新,虽然本质上科学进步和技术创新有着差别,科技创新则强调了两者之间的融合。同时,中国又特别强调科技创新服务于经济、社会的发展。接着描述科技创新面临的内外部威胁,这种威胁是全球性的。随后,采用比喻的方式,来说明科技创新其实相当于一种生态系统,科技创新的发展需要种子、土壤和环境三者之间维系的良好生态关系。最后,用本书描述科学进步的表现和动力的12个因素,来描绘中国科技创新的未来。

1 科学进步与技术创新

自人类存在,认识自身、认识环境、认识世界就成为基本的欲求。通过观察和实验,通过归纳和演绎,运用智慧和灵感,描述、解释和预测着人体或者借助工具所感知到的世界,科学给我们提供逐渐清晰、日益精确、更加系统的知识。例如,物理学使我们了解到物质怎样由基本粒子构成的;化学是我们知道了怎样从一种物质变成另一种物;天文学的发展让人类看到的几十亿甚至几百亿光年外的宇宙;地理学让我们认识到地心深处的构造及其活动;生物学为我们揭示了生物繁衍不息的秘密。

自人类存在,以制造工具为代表的技术发明及其创新就成为社会文明的标志。技术发明为人类提供了前所未有的人造物及其制造这些人造物的新工艺、新方法,创新则是技术发明的大规模商品化、产业化过程。通过发明创造,技术创新增强了我们改造世界的能力,使世界变得更美好;技术创新增强了我们积聚财富的能力,使物质变得更充足;技术创新拓展了我们的感官领域,使精神变得更丰富。例如,绿色农业技术创新保障了粮食的供给;制造技术创新提供了大量的生产工具和工作与生活用品;信息技术创新使得我们的沟通和交流更加及时快捷;航空技术创新实现了人类飞行的梦想;海洋技术创新帮助我们潜入到极深的海底。

 早期的科学和技术沿着各自的轨道前进,到了18世纪末期的工业革命之后,科学和技术互相依赖,互相促进。

一方面,系统地应用科学已成为技术进步的前提。科学为发明家提供了了解事物特性、预测事物发展的手段,导致新技术的产生,工程师们则利用科学技术知识来解决实际问题。例如,扫描式隧道显微镜的发明来自于量子力学原理,导电塑料的发明来自于材料科学的进展。技术也为科学提供了最先进的观察和实验的手段和工具,例如计算机技术使得类似气象、人口、基因结构等复杂巨系统的研究变得容易,技术科学家能抵达一些过去非常难以到达的研究地点(如南北极地、深海海底、太空、高温高压有害现场等,进而推进了各个方面的科学研究。

 另一方面,技术也为科学研究提供方向。能量守恒定律的发现得益于蒸汽机效率提高的技术问题,基因工程技术为科学家解基因结构提供了动力和方向。技术越复杂,与科学的联系就越紧密,使得人们不可能把科学和技术截然分开。新技术需要新发现,新发现需要新技术。科学技术关系密切的一个典型案例是以望远镜为载体的天文观测技术的发展引来宇宙科学的进步。自伽利略发明望远镜以来的400年间,从小口径光学望远镜、大口径光学望远镜、射电天文望远镜到各种空间望远镜,放大倍数、分辨率和观测的电磁波范围大幅度提高,使人类看到的宇宙空间越来越大。

当技术发明只是一些新型装置、产品、工艺或系统的想法、草图或模型的时候,当技术发明还只是专利文献的时候,技术创新过程就远远没有完成。创新把那些非常重要的技术发明商业化、产业化,技术发明将进一步得到完善,更多的技术发明也将在创新过程中实现。

科学进步、技术创新之间,并不存在简单的科学发现—技术发明—技术创新的线性关系,而是相互融合、相互促进,使得科学进步与技术创新呈现某种双螺旋的结构。所以,很多的时候,我们把科学进步与技术创新简称为科技创新。

2 技创新与经济社会发展

科学受经济社会的影响是多方面的。科学是一项复杂的社会活动,从数据的收集、假设的提出、理论的创立、信息的交流到实验的验证,不同的国家、不同民族、不同学科和领域的众多科学家参与其中。科学首先受到科学家所在的科学共同体和组织的影响,例如科学家必须考虑哪些是科学共同体认为有趣、前沿、主流的研究,哪些是能够得到优先资助的研究,科学家还要受到各国文化、社会价值观的影响。

经济社会对技术的影响远大于对科学的影响。如果说科学更加注重理想状况下的理论分析和实验检验,技术发明则更多考虑到众多条件约束下的可行性,这种约束不但来自于科学原理、定律,而且来自于经济的(成本及其经济收益)、生态环境的、政治的(政府鼓励与限制)和道德的(对他人或者下一代人的伤害)的约束。技术创新更是要考虑到经济上的可行性和利润的最大化,如消费者的接受程度、风险资本的投资方向效益、政府的税收激励,等等。

科技创新与经济社会发展之间,也不存在简单的科技创新—经济—社会这种线性关系,而是相互融合、促进,构成整个社会进步系统。没有足够的资源投入到科学的研究中,技术发明与创新将会失去基础。没有技术创新和投资,产业发展和经济的持续增加将会面临困难。如果缺乏对技术发明及其推广应用的理解,也不可能产生好的科学思想。

例如,美国国防部预研局(DARPA)对许多科学领域如行为科学、前沿材料技术、预警技术、雷达、卫星通信、高能激光、超微电子技术等都进行了研究,一个显赫的贡献是互联网的研发与应用。美国和前苏联的外太空竞赛带给人类的是通讯卫星、全球通信网络、大气检测系统、资源探测卫星、智能材料等等一系列令人瞠目结舌的科技创新成就。政府和企业出资金,科学家发明家出智慧,这种科技创新模式便是整个科技经济社会运行的一个缩影。

3 科技创新面临的内外部威胁

   科研经费的匮乏。科学研究越来越深入,面对科学问题越来越复杂和专业化,科技创新变成了一个需要大量投资的风险事业,科研资金的匮乏也因为全球经济危机而加剧。青黄不接的资金资助形式使得科学家不得不把注意力放在短期目标上,而那些需要长时间研究才有可能带来重大发现的科研问题便少人问津。

  科研不端行为的严重。科学家的信誉是建立在科研诚信的基础之上,然而包括剽窃、伪造、篡改等在内的科研不端行为的不断发生正在侵蚀着科学家的良好信誉。研究结果的可重复性是检验科学是否诚信的主要手段之一。2013731日英国《Nature》杂志上的一篇文章透露,在生物医学研究中,存在大量不具有可重复性的实验研究。例如,2011年,德国拜尔公司的一项内部调查发现,在67项内部临床前研究中,大约2/3无法验证。2012年,美国加州一家名为安进的制药公司对53项关于癌症的论文进行重复性检验,89%的研究结果无法重复。20135月,对美国德克萨斯州MD安德森肿瘤研究中心的一项调查研究发现,至少有50%的已发表数据无法进行重复。这些证据说明医学论文中可能存在大量的科研不端行为。科学共同体中已经逐渐形成了赢者通吃、快鱼吃慢鱼的竞争激励机制。适度的竞争是科学进步的动力,但过度竞争也导致了科研不端行为的泛滥,成了科学进步的阻力。赢者通吃使得科研经费、奖励和其他的回报主要集中在第一个发表论文的科学家身上;快鱼吃慢鱼使得草率的研究挤出了精雕细作的研究。

追求科技创新的高效率。无论是科学发现还是技术创新的难度显著增加。丰富的专业背景知识、长时间的辛苦劳动、一群志同道合的同事,加上昂贵的技术装备,使得科技创新成为一个复杂的巨系统。这个复杂巨系统必须良好运行,才有可能取得重大突破。许多投资者往往只追求效率,把科技创新看成是只要有人财物的投入后就会立竿见影的事。

因为对资金的依赖,科学家越来越听命于投资人,屈从于任务导向的研究,科学家的自主性和科学共同体的自治性受到了挑战。因为不端行为的存在,投资人对科学家的科研活动和行为进行了越来越多的监管,听取了越来越多的汇报。

科技创新和投资者之间需要足够的张力。例如,就基础科学研究而言,仅把科学研究当成是一种创造性艺术,认为任何对导向性、目标性的要求都会窒息科学研究的独创性思维;或者仅把科学研究当成是满足社会需要的手段,认为科学家的一切研究都必须回应这种需要;这两种观点都不可取。比如,投入到科学研究的资源是有限的,对科学的目标要求和定向在于投资者能确定把有限资源放到哪个研究领域哪个研究主题,但投资者的目标要求不能控制到具体某个具体科学家的研究策略上。

4 一个比喻的描述:科技创新的种子、土壤和环境

好的种子必须根植于好的土壤,加上充足的阳光雨露等好的环境,才能生根发芽开花,结出丰硕的果实。科技创新的发展,也离不开好的种子、好的土壤和好的环境。

科学家的好奇心和求知欲是科学发现的基础,发明家的创造能力是技术发明的基础,企业家对利润的追求是技术创新的基础。科学家渴望解开自然之谜,揭示隐藏在宇宙运行中的基本法则;发明家渴望改变这个世界,创造出新奇的东西;企业家渴望让更多的人购买新奇的商品,得到更多的财富。

把好奇心转变为持久的兴趣,让兴趣贯穿于科学研究的职业生涯中,科学家和发明家的探索欲望才能转变为实际研究的行动,通过坚持不懈的努力,产生出科学发现和技术发明。

好奇心和兴趣导致科学家把专业研究当成自己的事业,制定为之奋斗的自我目标。新概念的提出、新方法的应用可能依靠严密的逻辑思维,也可能依靠直觉和顿悟。现代科学发现史表明,大部分开拓新领域的科学发现,都有难以预见和计划的本性,而是依赖无意中偶然发现的某些线索,然后循着这些线索不断探索、大量检验而得到结果。以现代医学的发现为例,弗莱明对青霉素的发现、尼科尔对于斑疹伤寒的发现、阿尔伯对于内切酶的发现都源于直觉。富有创力的科学家能够抓住这些直觉和顿悟,在好的制度保障下进行持之以恒研究,使之最终变成科学发现。

现代技术发明史表明,技术发明来源于应用科学,虽然有着问题定向、目标定向,但具有原创意义的技术发明仍然与原本的定向相差甚远,与既有的技术路线大为背离。

具有创造能力的创新者,往往具有一些区别于非创新者的特征,例如,技术发明家一般具有丰富的技术背景,更擅长工作而不是与人打交道;更擅长处理技术问题而不是市场营销,对创新和产品概念全身心投入而轻视别人的专业判断;能熟练表达和交流思想,而不擅长组织中的常规流程。

现代的科技创新极少由某个人在业余时间完成,或者说业余科学家、发明家几乎绝迹。因为科学的大科学化、应用化,技术发明的复杂化和产业化,技术创新的规模化,都使得科技创新已经职业化、体制化,创新工作者主要居身于国家资助的研究机构、大学及其研究机构、企业等,也属于他们所在的利益团体(如科学共同体、技术共同体、企业家协会等)。无论是科学发现还是技术发明与创新,都发生在组织之中。组织为科技创新提供着土壤,包括必要的基础设备(如办公条件、实验条件)、同行评议、学术传统、制度规范和激励措施等等。

像其他很多工作一样,创新工作者只有在生活条件和社会地位处于相对安定的情况下才能发挥高效率,各种报酬、福利等成为调节创新者行为的主要手段。从事创新的人数很多,但要完成真正创新的机会却是有限的,创新竞争愈演愈烈的事实表明科技创新体系也是一个适者生存的体系。组织的创新动力,是创新者继续从事创新的巨大维持力,也成为激励未来创新者从事创新的力量。

不同组织里的创新者,同一组织中在不同场所(如实验室、办公室、野外、深海、空间等)的创新者,所能从事的工作往往有着极大的区别。一个能提供创新动力的组织,应该具备专业化的背景知识和沟通渠道,能够让从事科学发现和技术发明的人都能展现活力;工作具有高度的自主性、挑战性,能够对一个狭窄的技术方向保持较长时间的钻研;没有严格的目标控制,保证思想的自由表达,在学术观点上既竞争又合作;给人以生活安全感,把失败看成是组织特有文化的一部分。

科学社会学的默顿流派把科学研究的规范定位普遍主义、公有性、无私利性以及有组织的怀疑态度和原创性(英文简写为CUDOS),构成了现代科学的精神气质,认为科学的奖励制度是科学发展的动力系统。齐曼则认为现代科学具有产业化的特征,其规范表现为是“所有者的、局部的、权威的、定向的和专门的 (英文简写为PLACE)”,认为成本收益控制、技术创新与扩散等因素才是科学的动力系统。实际上,前者强调的就是组织对科学家的规范作用;后者强调的则是社会对科学家的制约。

从事科技创新的个体具有运用一切手段获取科学发现、技术发明或者经济利益的基本诉求,这种诉求与他们的社会环境因素如家庭职业传统、文化熏陶、社会教育的塑造、社会风尚等密不可分。

以科学家为例。在追求功利的时候,社会不是直接强迫科学家去从事科学研究,而是通过社会报酬制度和激励机制的诱导来实现的。首先,社会通过较高的职业报酬和职业声望使未进入科学研究领域的人愿意并能够进入科学研究的领域;然后,社会通过对已经进入科学研究领域的科学家进行各种激励,让科学家继续从事科学研究。

  科技创新的社会环境并不是单指直接影响个人创造能力、组织创新动力的制度安排和政策设计,还包括更多的东西,如教育制度、知识产权保护、生产要素条件、市场环境、需求水平、产业环境、政府角色等等。例如,在新一轮的经济危机中,对科技创新的资助减少使科学家不得不抽出更多的时间去为经费而努力,竞争的加剧又将使科学家为争取投资而做大量的前期工作,而本来他们的时间都可以更多地用于科研。

一粒优良的种子,在土壤中发芽、成长,得到了雨水、阳光和营养供给,然后开花、结果,是一个从小到大、从量变到质变的过程。量变积累到一定程度后发生质变,科技创新也是如此。

实际上,任何一项伟大的科技创新成果并非一个人或者几个人的杰作,每一项新的科技创新都凝聚着前人的智慧和灵感,都建立在已有的客观基础之上,是多种因素共同作用的结果。在科技创新的各个环节和发展历程,很多不为人知的科学家、发明家和企业家为提出了各种可能的方案。这些方案累积到一定程度,便形成了重大发现、发明以及重要企业问世的临界点,权威的科学家、著名的发明家和成功的企业家也适时出现在这个临界点上。如果某一个人、组织和社会都没有这种量变的积累,也就不会产生这个临界点,也不会出现那些伟大的人物。关于蒸汽机、飞机、计算机的科技创新莫不如此,尽管普通人通常只能记住瓦特、莱特兄弟和图灵等人的名字。

青霉素的研究(通常人们只会联想起他的发现者弗莱明)可以用来分析科技创新的种子、土壤和环境问题1922年开始,英国科学家弗莱明开始从事抗菌物质研究,6年的努力为1928年他偶然发现青霉素做足了充分的准备。由于没有技术基础,当时生化学家无法从培养液中提取大量品质纯正的青霉素出来,科学发明未能转化为技术发明。弗莱明也未能进一步推动青霉素的研究,他的发现静静地隐身于1929年发表的论文里1935以后科学家弗洛里重新发现了青霉素的经济价值,和钱恩、希特利等人一起组成团队,开始着手研制青霉素的生产技术实现青霉素的高效分离和提纯,增强青霉素的抗菌能力。第二次世界大战产生的伤病,为青霉素的商品化、产业化提供了市场需求。美国政府将青霉素列入战时国家重点研发项目,组织联合攻关,研发出大规模生产青霉素的关键工艺。1944年,青霉素的快速和大批量生产已经成为现实。在这个案例中,弗莱明、钱恩、弗洛里和希特利从事的科研活动是科技创新的优质种子,伦敦大学、牛津大学、麻省理工学院的实验室和科学共同体为种子的成长提供了良好的土壤,英国、美国等的政府和社会为种子的最后开花结果提供了适宜的环境,经过长达20年的不断努力和积累,才完成青霉素的科技创新。

5 中国科技创新的未来

2012,我国的国内生产总值总量处于世界第二位,我国的研发人员总量居世界第一位,我国的研发资金投入居世界第二位,可是科技界无法回答“中国为什么获不了诺贝尔奖科学家”“中国何时才会出现乔布斯”这样的问题,引发了上至政府下至普通公众的“中国式科技创新焦虑”

一个经济大国理应是一个科技大国,一个研发投入大国理应是一个科技强国。单从数量看,我国发表的国际科技论文总量已居世界第二位,我国的发明专利申请量也超过了美国,应该说中国已经迈入了科技大国的行业,但是从重大的科学发现和重要的技术发明来看,中国科技人员的贡献确实是与中国的科技大国地位完全不相称的。这表明,从科学进步的表现来分析,中国科学家在科学的核心部分,如科学描述、解释、预测和方法等方面,还没有取得科学共同体认可的重大进步。

科学进步也需要科学共同体的动力。科学共同体不只是简单的科研人员的组合,他们具有较长的学术研究传统、基础研究设备和持续科研的能力,进行正式与非正式的科研交流,塑造并遵循相同的学术规范和行为准则,进行严格的同行评议,维护适度的合作与竞争,完成对科学发现、技术创新成果的及时承认、奖励以及科研资源的合理分配,培养新一代的科学家、发明家。这一科学共同体的形成需要较长的时间。大致在20世纪初中国开始近现代科学研究,百年的时间里又经历了多年的战争、文化大革命等的分割,因此,中国的科学共同体的建立尚在起步阶段,来自科学共同体的推动科学进步的动力如辩护、技术、竞争、合作的力量等比较小。

还有一些特殊的外在因素在阻碍着中国的科技创新。例如,行政权力对科研活动的过多与过频繁干预破坏了科学家创新的自主权;以论文发表数量为标准的人才评价机制加剧了赢者通吃和快鱼吃慢鱼的现象;维持科学家基本科研活动的保障性经费的缺乏,迫使几乎所有的科学家要把大量时间花在了科研项目的申请上这表明,未来的中国科学进步需要得到更好的社会动力。

   不管是从科学进步的动力因素分析,还是从科技创新的种子、土壤和环境来分析,中国的科技创新都不是一蹴而就的,需要大家的努力、时间和耐心。




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