Nature封面新的一年，科研还能不能有新突破？

　　本文来自微信公众号：X-MOLNews
　　从1900到1950年，科学理论和工程技术的进步是令人瞠目的。这半个世纪中出现的重大进展，几乎没有哪一项是在1900年可以预见的：生物学家们发现了DNA和遗传密码；天文学家发现了其他星系和宇宙大爆炸；理论物理学家们用相对论、量子力学和量子场理论扩展了经典模型，同时推出了基本粒子的标准模型，并构想了弦理论的最早版本；实验物理学家们发明了晶体管、光刻技术、印刷电路以及微波和卫星通信，制造出计算机和数据存储；而原子科学家则将核磁共振和核能付诸于应用。
　　DNA双螺旋结构。图片来源于网络
　　然而，近50年的时间，尽管论文和专利数量呈指数型增长，但另一种声音也越来越引起人们重视：人类的科学技术仿佛被＂三体人＂锁死了，主要领域的科技进展正在放缓。新年伊始，美国 明尼苏达大学Michael Park  和  Russell Funk  以及 亚利桑那大学Erin Leahey 合作， 通过对1945年至2010年间发表的4500万篇论文和和申请的390万项专利进行分析，认为论文与专利越来越多，但颠覆性成果越来越少。 这篇论文发表于 Nature  杂志，被选为当期封面。
　　Nature 封面。图片来源： Nature
　　他们用于这项工作的衡量标准称为 CD指数（Consolidating/Disruptive index），量化每篇论文或专利的＂颠覆性＂程度。 如果一篇论文被引用的同时，它本身引用的论文也被同时引用，那么这篇论文只是推动科学沿着现有轨道向前发展，颠覆性不足（低CD分数）；反之，如果一篇论文被后人大量引用，却不再引用此前的工作，说明该论文具有颠覆性（高CD分数）。
　　CD指数定义示意图。图片来源： Nature
　　CD指数的范围区间为[-1,1]，其中–1表示颠覆性最小的工作。1表示最具颠覆性的工作。一个典型的例子是James Watson和Francis Crick于1953年发表的关于DNA双螺旋结构的研究，从根本上改变了一个领域的轨迹，后人在引用该论文时，很少再引用更早的工作，具有高CD分数（0.62）。
　　三篇诺贝尔奖获奖论文和三篇著名专利的 CD 指数。图片来源： Nature
　　研究者对1945到2010年CD指数变化趋势进行了分析，发现论文的平均CD指数下降了90%以上，尤其在1950到1970年间急剧下降，此后下降趋势变缓。值得注意的是，在所有分析的研究领域和专利类型中，颠覆性都在下降。 说明各领域的论文和专利更多地集中于深化既往研究，而非开拓新的方向。
　　颠覆性科学技术的＂衰落＂。图片来源： Nature
　　研究者还分析了论文稿件中的常用动词词汇，尽管在没有上下文的情况下，准确和定量地将词语描述为＂巩固研究＂或＂颠覆性＂是不准确的，但语言的变化也暗示了科研方向的转变，＂生产＂、＂制造＂这些动词逐渐被＂改进＂、＂增强＂所取代。那么，为什么科学变得不那么具有颠覆性了呢？
　　论文和专利的语言变化。图片来源： Nature
　　一种假设是＂唾手可得的果实＂理论，这种观点认为，那些易于被发现的成果就像是果树上伸手就可以摘到的果子，大多已被前人摘掉了。不过，研究者的数据似乎和这种假设相违背，毕竟研究领域的起步时间有先有后，＂果实成熟＂也应该有早有晚，然而各领域的CD指数下滑趋势，却是几乎同步的。
　　另一种观点则认为，颠覆性的下降是由于发表论文和专利数量增多导致的良莠不齐、鱼龙混杂。然而，研究者对三大科学期刊—— Nature、Science、PNAS 以及不同领域的诺奖工作进行分析，发现下降趋势仍然存在。
　　高质量科学期刊和诺奖工作的CD指数。图片来源： Nature
　　研究者给出的猜想是，随着科学家需要掌握知识越来越多，他们付出更多的努力在学习上，于是，用于推动这些前沿发展的时间却越来越少，精通的领域越来越窄。随着时间的推移，科学家和发明家越来越多地引用相同的先前工作，并且工作主题上变得越来越相似。其次，自引有所增加，或许是因为科学家和发明家更多地依赖高度熟悉的知识，继续现有研究。此外，被引用工作的平均年代增加，表明科学家和发明家更依赖古老但熟悉的早先工作。
　　被引论文的多样性、自引数及平均年代。图片来源： Nature
　　另一个因素是，在过去60到80年间，研究职业的激励机制可能存在错位——资助申请、论文发表、职位晋升等，并没有像人们理想中希望的那样激励颠覆性创新工作。还有一个作者可能没有考虑到的历史因素，本文中的所有数据来源基本上都是二战之后，而战争或许是一个科技转折点。科学发明和应用带来了军事优势，包括雷达、密码破译、喷气发动机设计以及飞机、弹道火箭，还有原子弹[1-3]。
　　实际上，研究颠覆性放缓的问题，被关注已经好几年了。2016年，Donald Geman和Stuart Geman认为，越来越多的会议、无休止的电子邮件、低门槛的商业胡吹以及激增的论文发表数量和获得资助的竞争压力，使得科学家们没有时间专注于科学研究 [4]。正如爱因斯坦所说，＂一个科学家的学术生涯，如果被迫大量发表科学著作，将会导致思想变得肤浅＂ [5]。2021年，Johan Chu等人分析了241个学科的9000万篇论文后，也得到相同的结论，论文数量的激增并没有促进颠覆性学术研究，反而可能导致研究的僵化 [6]。Lingfei Wu等人则发现，较小的团队倾向于新的想法和颠覆性科学技术，而较大的团队则倾向于深入发展现有的技术 [7]。
　　＂专注自拍＂的科学家——他们花更多时间公布成果，而非用来思考。图片来源： PNAS  [4]
　　＂随着渐进式创新越来越普遍，可能需要更长的时间才能实现那些能够更显着地推动科学向前发展的关键突破＂，Russell Funk说。＂很多创新都来自于尝试新事物或采纳不同领域的想法＂，Michael Park说，＂但如果总在关注尽快发表一篇又一篇的论文，那么用来实现颠覆性突破的深入阅读和思考的时间就会变得越来越少＂ [8]。不过，也有科学家提出质疑，＂颠覆性并不一定是好事，渐进式科学也不一定是坏事。例如引力波的首次直接观测既是革命性的，也是渐进式科学的产物＂，美国西北大学Dashun Wang说 [9]。
　　当然，研究者也乐观地认为，尽管平均颠覆性指数一直在下降，但最具颠覆性工作的数量一直保持稳定。这表明，重大突破持续存在，人类似乎没有达到科学的终点。或许科技的发展并不是循序渐进的，三次工业革命，均是短时间获得的巨大突破，而之间的沉淀过程也不可或缺，或许现在就是通往第四次科技革命的＂厚积＂阶段。
　　颠覆性工作数量。图片来源： Nature
　　1894年，Albert Michelson（1907年诺贝尔物理学奖得主）曾预言在物理学中，＂似乎大部分宏大的基本原理都已牢固确立＂。然而，随后发现的广义相对论和量子力学让这位诺奖得主＂啪啪打脸＂。正如同我们只能回看历史却无法预知未来，或许，更宏大的理论，正在等着我们去发现！
　　愿我们在新的一年里，能攀上＂巨人的肩膀＂，伸手摘到＂颠覆性＂的科研果实！兔年大吉！
　　Papers and patents are becoming less disruptive over time
　　Michael Park, Erin Leahey & Russell J. Funk
　　Nature ,  2023 ,  613 , 138-144. DOI: 10.1038/s41586-022-05543-x
　　参考文献：
　　[1] Science Is Becoming ＂Less Disruptive＂
　　https://www.technologynetworks.com/tn/news/science-is-becoming-less-disruptive-368887
　　[2] D. Lowe, A Decline in Scientific Innovation?
　　https://www.science.org/content/blog-post/decline-scientific-innovation
　　[3] Embrace teams large and small to foster the health of research.  Nature  2019 , 566, 295. DOI: 10.1038/d41586-019-00558-3
　　[4] D. Geman & S. Geman, Science in the age of selfies.  PNAS ,  2016 , 113, 9384-9387. DOI: 10.1073/pnas.1609793113
　　[5] W. Isaacson, Einstein:  His life and universe .  2007 , New York : Simon & Schuster.
　　[6] J. S. G. Chu,  et al ., Slowed canonical progress in large fields of science.  PNAS ,  2021 , 118, e2021636118. DOI: 10.1073/pnas.2021636118
　　[7] L. Wu,  et al ., Large teams develop and small teams disrupt science and technology.  Nature  2019 , 566, 378-382. DOI: 10.1038/s41586-019-0941-9
　　[8] Papers and patents are becoming less disruptive
　　https://www.economist.com/science-and-technology/2023/01/04/papers-and-patents-are-becoming-less-disruptive
　　[9] M. Kozlov, ‘Disruptive’ science has declined — and no one knows why.  Nature  2023 , 613, 225. DOI: 10.1038/d41586-022-04577-5