推进科学进步的抓手是理论还是工具

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推进科学进步的抓手是理论还是工具

作者：李侠 李双（上海交通大学科学史与科学文化研究院）

发表时间：2023-8-17 12:30 | 系统分类：人文社科





当科学在常规时期发展到一定阶段后就会进入发展的“平台期”，从外部看就是科学只有横向的扩张，而缺少纵向的突破，此时人们所感觉到的就是科学发展出现了严重停滞，人们普遍无法接受这种现状，这种印象和感觉不仅中国有，全世界概莫能外。2023 年初英国《自然》（Nature）杂志发表了一篇文章名为《颠覆性的论文和专利正在变得稀少》，作者米歇尔·帕克（Michael Park）等个人通过检索四千五百万篇论文和三百九十万项专利，得到这个结论。为了越过科学发展的平台期，世界各国的科技管理部门都会紧锣密鼓地出台相应的各种刺激与激励政策。然而，科技系统作为一项庞大的社会建制，其内部结构与类型非常复杂，要使政策真正发挥效力，对于科学所属类型必须有一个准确的了解，否则就会出现无的放矢的结果。那么如何诊断科学发展阶段与类型，以及推进科学发展的抓手应该选择什么，这是制定高质量科技政策的认知基础。联想到近年来国内科技界兴起的轰轰烈烈的搞大科学工程、大科学设施建设，这种突破困境的路径选择是否正确？为此，当下面临两个亟需解决的基础性问题，其一，当代科学发展处于哪个阶段？其二，推进科学发展的政策抓手是理论还是工具。

第一个问题通俗来说就是，当下的科学是处于科学革命阶段还是常规科学时期？众所周知，当科学革命发生时就如同洪水突然冲下山坡，水流汹涌澎湃，不论你接受与否，所有的人都看得见也感受得到，科学界以及整个社会都处于极度的震惊与亢奋之中；一旦越过这段时期后，就如同水流来到宽阔的平原地带，水流向四面八方扩散出去，流速减慢，波及范围迅速扩大，再也感受不到刚开始时的那种强烈的冲击感，这个时候看似平淡，却恰恰是科学快速发展时期。回顾科学史，可以很好地说明这种情况，比如 20 世纪初的物理学革命，从量子力学到相对论，人们的思想观念受到多年剧烈冲击后，最后看似一切都回归平静，但恰恰是经过这 30 年的积累（1900～1930 年代），带来了科技与整个社会发生翻天覆地的变化，科学由此进入科学史家库恩所谓的“常规科学”时期，这个时期科学在新范式指引下快速发展。从这个意义上说，常规科学时期看似波澜不惊，但却恰恰是科学进步最快的时期，仅有科学革命是不够的。经由二十世纪初科学革命后确立的范式时至今日并没有遇到真正严重的挑战，由此，可以明确地说，当下的科学仍处于常规科学时期，它的使命就是在老范式下解决更多的难题，这个时期科学仍在快速发展，只不过这种发展细节常人觉察不到而已，看似停滞，实则仍充满生机与快速扩张，正所谓深水静流。

如果科学总体上处于常规发展阶段，那么推进科学发展的抓手应该从哪里切入？学术界有两种观点，其一，理论优先。即通过提出新理论来推进科学发展，这一派的代表人物是科学哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper），这以他著名的科学发展四阶段模型为代表，即“P1——TT——EE——P2”，科学通过一个被确认的问题开始，通过理论的无数次试错，由此推进科学发展。从宏观层面上看，则是一个个具体问题被解决了，由此彰显了科学的进步，这些进步都是世人可见的；在微观层面则是无数理论之间进行试错、证伪而不断更替的过程，它反映了科学共同体对于问题本质认识的逐渐深入，这些变化寻常百姓是看不到的，也理解不了。这种观点很有解释力，也能较好地反映科学的动态发展特征。

其二，工具优先。近年来，以美国科学哲学家约翰·比克尔（John Bickle）为代表的学者们提出一种新的科学发展模式，即以神经科学为代表的科学不再遵循 “理论中心主义”，代之以“工具为中心”，他们认为关键性技术的革新推动科学前进。这两派的观点在解释科学进步时都有其合理性，但各方为了捍卫自己的观点又都走向了极端。科学史的研究已经证明，理论与工具对于科学发展都起着重要作用，但是哪一个更重要呢？在做科技决策时应该从哪个路径切入呢？进行选择的理论根据是什么呢？遗憾的是两派的论述都没有给出明确的选择标准。


理论与工具：科学发展形态的四象限图

我们知道，任何时代、任何地区的科学的发展都是在学科发展不均衡的背景下展开的，这种不均衡包括两个维度：理论完备与否以及工具完备与否，根据这两对指标，可以做出一个四象限图，由此划分出四种科学发展形态：理论不完备与工具不完备型、理论完备与工具不完备型、理论完备与工具完备型（理想型）以及理论不完备与工具完备型。在这四种科学发展类型中，理论完备与工具完备的理想型是很少见到的，仅具有理论意义，另一种，理论不完备与工具不完备型，这类通常属于萌芽学科，处于知识发展的起步阶段，即波普尔所说的“科学的沼泽”时期，波普尔、卡尔纳普等学者均认为此时需要科学天才的出现来破局，因而这一阶段唯一可做的就是任其自行发展，不必过多干预。大多情况下我们遭遇到的科学发展形态是后两种类型，即理论不完备与工具完备型和理论完备与工具不完备型。那么针对这两种科学发展类型，又该如何选择与制定相应政策呢？

对于理论完备而工具不完备类型的科学，最经典的案例出现在第一次科学革命时期，哥白尼与牛顿都发展了比较完备的理论，此时理论完备而工具不完备，需要开发工具去验证那些理论是否正确，所以牛顿之后，物理学的发展在仪器（工具）实践层面有了很大的发展，再比如，爱因斯坦在 1916 年提出广义相对论并预言引力波的存在，在近百年时间里物理仪器有了长足的发展，直到 2015 年科学家利用先进仪器 LIGO 发现了引力波，再比如 2012 年欧子核子研究中心宣布发现了希格斯玻色子，而这项工作彼得·希格斯早在 20 世纪 60 年代就在理论上预测了“上帝粒子”的存在。从这个意义上说，理论的发展对于科学的推动作用更大，这类学科有一个共同特点，那就是学科条理化程度比较高，适合采用理论优先的发展模式，在这个领域不用跟风去搞大科学工程，由于理论是人创造出来，因此，这种类型的科学主要是通过支持“人”来获得发展。

对于理论不完备与工具完备类型的科学，这是工具优先论的主要地盘，这个类型的特点就是理论发展不充分，仍处于前科学时期，这时工具就具有了理论裁判官的作用，通过完备的工具对各种不同的理论进行检验以此推动科学的发展。至此，可以得到一个明确的结论：理论完备而工具不完备类型的科学，应该继续推进理论的发展，形成在理论层面的比较优势，此时不顾条件贸然去开发具有不确定性的工具是充满风险的，毕竟没有人知道合适的工具会在何时、何地出现；对于理论不完备与工具完备类型的科学领域，可以放手去开发工具，形成工具性能的比较优势。工具的中立性与目的导向决定了其运用的广泛性，比如德国、日本等国家它们的仪器工业（工具）都很发达，尤其是德国，化学家李比希 1824 年在吉森大学创立吉森实验室，利用自制的仪器做出很多伟大的发现并培养了一大批化学人才，极大地推动了化学学科的发展以及化学工业在德国的发展。这些国家持续在工具方面发力，其实这是一种经常被忽视的推进科学发展的模式，相反它们在理论方面的优势并不特别突出，这是很有启发意义的选择。

客观地说，理论与仪器（工具）对于科技发展都是不可或缺的，但是，在资源稀缺与比较优势的硬性约束下，很多时候鱼和熊掌真的不可兼得，以往的决策模式常常绕过这个困难，采取各打五十大板的模式，看似均衡，实则低效，这就导致我国的理论也好，工具也罢，始终无法形成比较优势。在这种背景下，应有针对性地做出差异化的决策。那么中国在这两方面的比较与是如何？只要到实验室和医院看看，就会发现稍微高端的仪器几乎都是进口，这就意味着在这方面我们没有比较优势，但是，中国人才规模总量很大，这种优势可以体现在科技的哪个环节呢？理论迭代优势，这也是资源硬性约束下的最积切入点。相反，工具（仪器）部分则可以推向市场，只要保障创新能得到应有的收益回报，创新自然会涌现，市场竞争中涌现出的国外众多先进仪器设备公司的经验就是佐证。

当下中国科技发展的战略目标与路线图已经明确，宏观目标就是实现科技自立自强，以此促使创新驱动发展战略落地，在微观层面的路线图就是从基础研究切入，这就意味决策部门已经明确理论在推动科学发展中具有优先地位。为了推进这个目标与路线图的实现，应审慎评估当下纷纷上马的各类大科学工程、重大科研设施建设的热潮，毕竟这种粗线条的、对科学类型不加区分的砸钱做法已经被证明是低效甚至是无效的，通过上面的分析可知，有些科学领域需要在仪器方面砸钱，而有些科学领域需要扶持理论的持续产出，应该投资人，那种一刀切的豪赌做法既不科学也不经济。

【博主跋】这篇小文章写于年初，折腾很久，理论与工具哪一个是科学发展的引擎，这是一项非常复杂的问题，我们先把我们的初步思考列出来，供大家讨论，如果后续还有新的想法再写出来，这篇现发在《光明日报》2023-8-17 日的新科技版，与齐老师合作愉快，是为记！

说明：文中图片来自网络，没有任何商业目的，仅供欣赏，特此致谢！

2023-8-17 于南方临屏涂鸦