科学的隐忧：科学是如何工作与共享的（1）

　　这一路上，我得到了许多人的支持。我所工作的部门——剑桥大学多纳斯蒂亚国际物理中心、位于圣塞瓦斯蒂安的西班牙国家研究委员会以及剑桥大学耶稣学院为我提供了各种各样的资源，包括安静的思考空间，这简直是一份罕见的厚礼。我的研究团队、全校众多年轻科学家和行政人员以及我的同事都踊跃参与，并给了我很多建议。一些读者给了我很棒的反馈，特别是克里斯托夫·费夫尔、罗布·芬德利、查利·康斯特布尔、西蒙·谢弗、理查德·琼斯等人，他们付出了宝贵的时间和精力来参与讨论。我还要衷心感谢英格丽德·格纳利希等普林斯顿大学出版社的工作人员。我的学生赵其斌为本书中文版提供了修改意见。我必须要说明，除我之外，任何人无须对本书的内容负责，它们全部来自我的个人观点。最后，我要感谢我的妻子和孩子给予我无私的鼓励，允许我为了写这本书而减少和他们在一起的时间。这本书是献给他们的礼物，因为他们让我的科学生涯充满生机，丰富而圆满。

　　第1章 质问科学

　　科学能做什么？

　　我们为什么要进行科学研究？当我还是个青少年时，我认为这个问题的答案是天经地义的，那就是为了探索世界。古往今来，我们始终不断地探索着地球的山巅与深谷、森林与平原，同时，我们吵嚷着要去探索其他行星和彗星。而如今，我从事科学研究，才明白这个答案是远远不够的。它无法解释为什么我们不仅自己在学校里被逼着学科学，还要逼着我们的孩子学科学；也无法解释为什么我们要在科学上斥巨资，并将希望寄托在科学之上。探险家总是少之又少，而现如今，科学家的数量却日益增加，十分庞大。

　　“既然排干沼泽能阻止蚊子繁殖，为什么这么做是错误的呢？”一天早晨，我女儿在吃早饭时问我这个问题。如今，只要在网络上迅速搜索一下，很快就能知道人们在这个问题上累积了多少科学知识。我们在网上读了一些研究，它们总结了为什么排干沼泽不管从长期还是短期来看都利弊兼有，以及为什么自然周期的每个环节都与其他众多环节紧密相连，因此无法进行简单的预测。每问一个“为什么”，都像打开了一排俄罗斯套娃，它们一个一个排列起来可以一直连到天边；即便如此，最小的“套娃”依然可以继续被打开，揭露出更加隐蔽的信息，而每一小片信息背后都藏着长达几十年砥志研思的科学探索。

　　我们总用理所当然的态度来对待科学。比方说，我们认为科学家总是无处不在；他们的传承生生不息、永不消逝；科学从来不会走进死胡同……我们总是假定，科学总会不断产生奇迹，不断拓展人类的体验，深入想象的疆域。但是，我们如何判断科学的状态是否良好呢？你用很多方式为科学买单，但是你是否真的关心科学？你是否切身滋养科学的发展？别人向你提供了哪些科学？它们又属于广阔的科学天地中的哪一支山脉？

　　我们的社会早就发现，科学具有强大的激励作用。它震撼我们，挑战我们，创造出具有远见卓识的雄心；它那多巴胺催动的诱惑力对热爱惊喜的人类大脑来说是一针强心剂。我们信任那些经得起批评与时间的无情鞭挞的科学成果。我们对这一点信心如此充足，以至于我们相信，如果宇宙中的其他地方出现拥有自我意识的文明，他们也一定会认同我们建立起来的科学原则。然而，那些拥有自我意识的外星文明学习科学的方式很可能会让我们困惑不解。我们创造出来的科学系统并不是必然发生的定局。古代人类文明没有建立专门探索自然世界的正式机构，相反，这部分事业只留给了少数具有好奇心的人，这些人在他们身处的小社会中挖开了一方暂时安全的天地。而如今，世界各地都建立起了正式的机构（比如大学），促进学习和有组织的讨论，这是现代社会中一个少有人意识到的奇迹。

　　科学究竟能做什么？这多半是由我们的文化而非科学的客观真理所决定的。科学有一个基本要求，那就是“可重复性”和“可测试性”。这意味着，在科学思想所组成的纵横交错的网络中，如果存在任何裂缝或者缺陷，几乎都能很快被察觉到。但是，由于资源有限，我们最终决定在这个无限的空间中探索什么问题，却并非不言而喻。

　　站在局外人的角度来观察科学事业，你可能会认为“科学能做什么”是由领导者们协商而定，或者是由某种对冷静观察各个科学子领域的人来说显而易见的方向所指引的。我与公众焦点小组的讨论经常让他们相信，“一定有什么人在引导着整个科学的进程”。但个中事实往往更加复杂，十分类似于我们对经济的操控——不管我们多么努力，经济形势总是饱受必然趋势、权威和社会互动所导致的景气周期的影响。无论在什么国家，几乎都不太可能确定到底是谁在决定开展哪些科学研究。相反，大多数国家都是依靠竞争来选择和资助“最好的”科学。

　　在追寻我身处的这个网络的问题的过程中，我越来越着迷于思考我做这些事情背后的原因，并惊讶于这番探索将带来怎样行之有效的改变。这本书试图解释究竟是什么因素影响了科学做什么，以及为什么这个问题很重要。要回答这个问题，就必须去探索与这个问题相关的所有人，而不仅仅是科学研究者的动机。我会阐明我的观点，那就是——将整个“科学生态系统”纳入考虑范围之内有助于思考这个问题。在自然界中，“生态系统”的概念能帮助我们理解自然世界的各个部分如何通过同时协调众多生物之间的关系而达到均衡状态。科学系统的行为也像自然界一样，其各个组成部分就像相互关联的生物。激烈的竞争无处不在，不仅存在于科学家之间，还存在于发表研究成果的学术期刊、提供研究场所的高校、报纸、政府、学科领域和其他许多竞争者之间。竞争总是青睐有利于生存的技能。由此产生的科学生态系统因而也具备了自己的个性和气质，而这些个性和气质又引领科学走向一个人人都渴望占有一席之地的未来。

　　这本书建立在我个人的探索之上，叩问同时困扰着科学家和非科学家的问题。这些问题是如此鲜为人知，这令我震惊。尽管身为一名身体力行的科学家有助于我探索这个问题，但这个身份对理解此间涌现的故事并不是必需的。在故事的讲述过程中，我们或许可以真正理解一个问题，那就是我们的社会究竟想要科学家做什么（如图1-1所示）。

　　在开始筹划这本书涉及的领域时，我意识到一个问题：我遍寻不着对“科学究竟如何运转”的描述。这片领域是如此复杂有趣、彼此相连。然而，它也理应影响我们解读科学发现、科学愿景、科学经费与科学抱负的方式。我所提出的很多问题其实已经有科学家进行过广泛的讨论，你可以在博客和信件页面上找到相关的只言片语。然而，每一个小小的探讨与辩论组合在一起，却传递出一种广泛存在的挫败感——我能从科学家身上体会到这种挫败感，那是一种被困在一个无法施展创造力的系统中的焦虑。更糟的是，他们觉得自己根本没有能力改变这个系统，因为这个系统的每个齿轮都啮合得如此贴切吻合、精细完美，牵一发必然动全身，不可能进行一项独立而不影响其他部分的改变。因此，这本书还有一个目的就是促进和恢复平衡：让非科学家对他们的资金的使用重获一些理解力和控制力；与此同时，让科学家也对如何使用那些资金重获一些理解力和控制力。

　　

　　图1-1 科学的“讨价还价”

　　我们为什么要关心这个问题？

　　我们为科学买单。科学为我们提供了极具诱惑力的礼物，但有时候我们又对它们的后果或伦理深感不安。科学将构建我们的未来、我们子孙的未来以及地球上所有人类的遥远未来。平均来看，我们每个人每年只花几百美元来支持科学，这并不是一笔很大的开销，开车闲逛烧掉的油钱也比这个多。但这是我们对人类共同的未来所做的最好的投资之一，它的回报比我们的存款在其他任何地方所获得的回报都多得多。这笔投资究竟是如何以我们的名义花出去的呢？这是一件非常古怪的事情，也是本书要讲的另一个故事。社会财富的增加孕育了一个新的生态系统，使其生息发展；这个系统与社会各界的广泛势力绝缘，但又饱受它们的冲击。同时，科学本身就来自这个社会，并在其中汇聚沉淀，开疆辟土。

　　我计划将这本书写成一篇纵览报告。我会聚焦在科学系统的不同部分，以便分析那些重叠的“影响圈”如何交织在一起，从而创造出科学的生态系统。首先，我要探索科学本身，试图向你展示科学家是如何在两个相互依赖的角色之间分身的。同时，我会讨论将科学视为一个生态系统是否真的切合实际，以及这种观点如何启发我们对科学提出一系列问题。为了夯实讨论的基础，我将在第3章中通过探讨过去半个世纪以来科学家认为什么是最重要的事情，从而探寻从事科学研究的动机。为了描绘出影响链，我将在接下来的三章中讨论科学家如何向世人呈现他们发现的新知识，如何从彼此那里获取新知识，以及社会各界如何通过媒体获取这些知识。这将展现出一个信息流，它将科学家自身的不同知识领域、人以及媒体联结在一起。在第7章，我将介绍什么资源会进入科学界，以及谁控制着这些资金的流向。那么，让这一切发生的那些人又是如何被这个过程影响和塑造的呢？我将在第8章探讨这个问题，从而完善那个关于重叠的“影响圈”以及它们之间的种种竞争的纵览。在第9章，我会将之前的所有讨论结合起来，探讨科学这片疆土如何演化成了今天的模样。接着，我将在最后一章对如何改进这个系统提出一些建议，开出一些试验性的“处方”。我并不想挑起论战，我的主要目的是描述科学真实的样子，以及它究竟是如何运转的。

　　我是一名身体力行的科学家，因此，我深受这个系统的影响。但在我职业生涯的早期，我曾经在产业界工作过一段时间。因此，当我进行科学研究的时候，我总是保留着一种局外人的视角。我想以一个局外人的眼光来写这本书，像主流的科学社会学家那样，试图揭示出科学系统的构造。流行的科学文化倾向于关注那些具有英雄色彩的人物和历史上的早期观点，并倾向于展示错综复杂的神奇逸事，讲述丰富多彩的故事和道德寓言。我不想走这条寻常路，而是想另辟蹊径。这是因为，首先，我的主题所涉及的互动关系更加广阔；其次，我想要探讨我们面临的现状以及未来可能的发展方向。

　　在这个过程中，我遇到了我认为自己理应知道答案的许多问题。比方说，全世界总共有多少位科学家，有多少位物理学家、化学家、生物学家或工程师？10年后会增加或减少多少位科学家？每天都有成千上万篇论文发表，为什么其中只有少数进入了新闻报道和推特信息流？是谁为我们做出了这些决定？为什么？谁决定了我们进行什么样的科学研究？科学家平时都读些什么？他们如何选择自己进行什么科学研究？世界上的生物学家是太多了，还是太少了？是什么决定了科学会议的规模？我的背景知识无法回答这些问题，大多数科学家对此也都心中无数。

　　目前，科学的健康状况良好。它从来没有像现在这样，拥有充足的资金，创造出前所未有的新成果。但是，每个系统都有自己的缺陷，科学也不例外。科学系统的许多缺陷广为人知：金钱和个人利益的影响、数据和结论造假的丑闻、哗众取宠的大肆炒作或人身攻击、媒体对研究成果的歪曲报道，或者盗取别人的功劳。这些总是不断加剧科学的问题，但它们并没有从根本上削弱科学的基础，因为科学具备一种自我纠错的能力。

　　然而，在我的探索中，出现了另外一些令人不安的担忧，它们属于科学系统中比较含蓄、不被人提起的部分。质疑与争论的交流是科学生态系统所必需的一部分，但这些交流正在加剧科学不同部分之间的竞争。这种日益紧张的全球化竞争正在让科学的运转与演化走向歧路。在这本书中，我希望向读者阐明为什么我不再坚信科学的全球化，以及为什么我认为科学或许已经过度扩张。这些竞争会带来另外一些即将变得明显的后果，比方说，降低科学筹资与科学理解的多样性。所有这些压力都集中在科学家身上。人们有一种错觉，认为科学家不会受到社会压力的影响。但事实正好相反，科学家身处某些最激烈的全球性竞争的中心。然而，在一切讨论的开端，我们首先需要问一个问题，那就是：我们所说的“科学”究竟是什么意思？

　　第2章 什么是科学？

　　说起“科学”这个概念，大多数人都十分熟悉。但我想要进行的第一个任务就是撬开这个看似坚固的概念，将其分成两种截然不同的类型，并试图找出每一种类型背后的动机。接下来，为了让你更好地理解“科学生态系统”这个整体，我将讨论目前总共有多少位科学研究者，以及这个数量的变化趋势。这些科学家正是科学生态系统的核心组成部分。最后，我将探讨科学生态系统可能的运转方式，并解释后续探索中将要谈到的不同部分。

　　科学家的角色我们周遭的科学

　　请你环顾四周，然后想一想：假如一个充满活力的女人从史前时代穿越到现在，她能认出或理解你身边的哪些东西呢？桌子、地板、插座、显示器、灯泡、窗户……这些东西在自然界中都不存在，但它们都精妙复杂、十分神奇。那么，最能让你那个史前朋友兴趣盎然的东西是什么呢？每一件物品背后都充满了丰富多彩的故事，交织着人们对文化、历史、科学和技术的不同解读。

　　请再想一想，如果将那个原始人换成你，你周遭的世界会如何激起你的好奇心呢？你目光所及之物，又会带给你什么问题呢？那个闪闪发光、被电线固定在墙上的亮片如何将彩色的光线洒满整个屋子？或许，你会着迷于手机发出的微波如何无声无息地在人体和地板上反射，又纤细如丝般穿透墙壁。为什么热咖啡中的金属勺子摸起来十分烫手，而盛放热咖啡的陶瓷杯子却不热？这一页上堆砌的文字如何在你的大脑中留下不可磨灭的化学记号，并在你停下来回想时重新浮现出来，供你再次斟酌？

　　科学并不总是如此具体和明显。或许，你更担忧那些飘浮在周遭的无形威胁。我们呼吸的空气中究竟隐藏着什么秘密，竟使得天边笼罩着黄白色的硫化雾霾？震耳欲聋的飞机旅行是否会加剧你对人类滥用地球资源的内疚感？你阅读的某篇文章是否真的带来了治愈癌症的希望？

　　这种看待世界的方式，以及不断追问“为何如此”和“为什么会发生”，正是科学的本质。我们的大部分问题都来自熟悉的日常生活。为什么胳肢会让人痒？为什么只有一些人会痒？胳肢的感觉为什么会存在？犬类为什么能在长途跋涉中掌控方向？许多这样的问题到今天依然没有令人满意的答案。然而，科学问题漫游的脚步走得更远一些。自然界现存的事物依然保持着它们原初的样子，但人们发明的新装置却能与人们习以为常的东西紧密连接起来，些许怪诞诡奇却又令人如痴如醉。指甲大小的设备能装下我们所有的音乐。闪闪发光的黑色太阳能板能满足我们对能量的需求。技术创造出许多奇迹，令人眼花缭乱，简单了解与它们相关的科学道理只能让你粗浅地领会其工作原理。

　　这种看待我们周遭世界的方式如何与“科学”联系起来呢？我们何时才算真正开始做科学研究？做科学研究到底是什么意思？在各种报纸和网站上偶尔可以看到一些文章，尝试对科学下定义以及对科学活动进行分类。当我写这句话时，我的网络订阅列表正在“科学”分类下给我推送关于欧洲核子研究组织（CERN）的粒子加速器的新闻，在“气候变化”分类下给我推送关于北极熊捕猎范围的消息，在“技术”分类下给我推送关于蓄电池储能的讨论。这些也算科学吗？科学家可以从事技术或者环境相关的工作吗？为了解释这些模棱两可的问题，我将首先回顾一下科学从何而来。

　　我们的刻板印象从何而来？

　　我们对科学的理解总在不断变化。从16世纪开始，“自然哲学”就给这些古怪的人贴上了这样的标签：他们对物理世界及其日益丰富的实验方法冥思苦想。“科学”这个单词来源于希腊语，意为“知识的总体”，但很快被用来专指自然和物理领域的知识。到19世纪中期，“科学家”一词专指那些仅在自然领域内探索知识的人。100年前，我们的刻板印象已经出现了：人们认为，科学家指的是那些致力于理解自然奥秘的科学独行侠、在丰富的自然生态环境中标记神秘物种的贪婪收集狂，以及打造出颇有市场的产品的创新技术人员。但是一个世纪以来，一切都发生了变化。尽管人们依然饶有兴致地观察科学家们到底在做些什么，并且这种兴致变得越发浓厚，但是，对于投资者和公众来说，我们过去对科学家的分类实在是很糟糕。

　　科学家和技术人员总是互相影响。讲希腊语的学者在逃离土耳其人的过程中影响和促进了一场意大利人文主义运动，该运动热衷于重新发现古典文学，复兴科学知识（现在被尊崇为“文艺复兴”）。14世纪，当黑死病让劳动力变得昂贵时，技术变得越来越重要，人们从这些初生的科学中汲取价值，生产出有利可图的材料和设备。15世纪，谷登堡的印刷技术得到了发展，将这些知识广泛地传播开来。与此同时，先进的航海技术让人们能够在遥远而广阔的天地中收集新发现。随着时间的推移，这些知识越来越成体系，琳琅满目，各就各位，只待科学来逐一解释。工业化则加速了科学和技术的循环周期。到20世纪，科技极大改善了人们过去繁重枯燥、攻苦茹酸的生活。

　　今天，我们的科学家们继承了这些积极性。一般而言，科学家可以分为“纯科学家”和“应用科学家”两种；前者是指研究自然世界的科学家，而后者是指试图从前者发现的那些知识中创造出有用之物的科学家。首先，我们不难发现，这两个标签是带有感情色彩的，因为“纯”字强调一种更加高贵的美德，纯净无瑕，出淤泥而不染。在社会中，“纯”字让人联想到另一些概念，比如“种族纯洁”或“性纯洁”，这些词则暗藏着一些令人鄙夷的阴暗面。因此，要理解科学家的积极性从何而来，我更愿意采用另一种更为中立的二分法。这种方法强调他们开展科学研究之时所扮演的角色，可能会更加有用。这种方法将科学家分为两类，我将其分别称为“化简者”和“构造者”。接下来我将向你展示这两种科学家如何创造基础科学知识。

　　介绍化简者

　　现在，请你想一想那些研究亚原子的粒子性质及其构成的物理学家。在这些物理学家中，一些人研究的问题是“为什么粒子拥有这么大的质量”或者“为什么它们像这样碰撞的时候会产生一簇新粒子”。他们剥去复杂的表象，试图揭示更基本的组件的性质，试图用简单的概念来解释观察到的现象。我将这样的科学家称为“化简者”。但你也可给他们冠以一些其他的类似绰号，比如“探索者”、“钻研者”或“解构者”。在面对这个世界时，他们喜欢打开“魔法盒子”，试图理解世界是如何运转的。他们是科学的还原论者。

　　化简者的方法是否在所有科学探索的开端总是奏效？并不尽然。只有在世界的基本物理规律能使多种基本量守恒的情况下，化简主义才行之有效。我们知道，能量是守恒的，动量是守恒的，原子的数量是守恒的。但在许多不同的情况下，这些规律都可以被打破：比如说，我们可以将能量转化为质量，再将其转化回能量；我们可以通过磨损或者化学过程将固体转化为气体，让物体失去原子；我们可以通过核反应将一种原子转化为另一种原子。最有用的是，这些规律的基本逻辑让我们将现在出现的问题与过去探索过的问题紧密联系起来，形成了人们的科学直觉。太阳底下没有新鲜事，每个问题都与我们过去曾思索过的某些问题相联系。如果没有这种先后顺序，我们就很难形成直觉，我们的大脑将被乱糟糟的细节和信息碎片淹没。化简者在科学的每一个领域都发挥着作用。

　　化简者是否扼杀了科学之美？

　　化简者让人联想到几种对科学的情绪反应。长期以来，化简者都被视为世界之美的敌人，因为他们揭示宇宙的运行规律，将其视为毫无人情味的机器，扼杀了世界表面的美感。一些人认为，解释复杂现象背后的简单原理（譬如彩虹为何拥有绚丽的色彩）就好像剥去了这些美丽现象的力量、生命力与能量一样。在其他领域，我们也可以看到类似的“指控”。比如有人认为，对诗歌、文学和艺术进行分析会摧毁它们的美感。

　　然而，化简者也被视为伟大的探索者。他们勇往直前，探索宇宙中未知的新知识。这种开创式的行为为人类带来了许多规模宏大的“大科学”项目，比如粒子加速器。在这些项目中，人们强调打破知识边界的传奇精神，从而加深对人类在宇宙中的位置的理解。他们勇于推翻传统理论，就像击溃巨龙的骑士一般。其实，化简者的这种长期斗争正好推翻了一些人对他们的指控——他们就像制作蝴蝶标本一样，将世界的美好钉在木板上，供人瞻仰。每一个仰望星空的人心中都充满敬畏。星星其实只是一些“充满气体的庞大球体，在进行核聚变的同时向我们喷射出巨型灼热光带”（如图2-1所示），了解这一事实只会让我们更加惊叹于宇宙之美。诚然，还原的确是科学的简化任务之一，但它并不是要对科学的内容进行还原，而是要转变我们对科学的理解，从简单的事实堆砌中抽丝剥茧、聚沙成塔，了解交错纵横的科学原理及其对人们的影响。这才是“理解科学”的真正含义。

　　

　　图2-1 启发灵感的两种方式。在图2-1（a）中，我们可以看到红宝石般的三叶星云，它的直径有数光年。它的核心充满了氢气，被几百颗年轻的恒星烧得火热，使其发出红光（就像霓虹灯中炽热的氖气发出红橙色的光芒一样）。在图2-1（b）中，我们可以根据恒星的冷却和光度变暗的过程来记录它们的演化（从左侧的蓝热，到右侧的红热）。图片来源：图2-1（a）R.Jay GaBany, Cosmotography.com；图2-1（b）?2017 ESO

　　压缩信息

　　化简者的一个任务是对其所在的科学领域进行“信息压缩”。他们的目标是用“更少的事实”和“连接性更好的描述”来直接解释世界（通常，他们会采用公式来定义事物之间的关系）。但他们有时又不得不承认，信息压缩在某些地方会失灵，比如预测天气——我们通常只能预测几天之后的天气。而在其他领域（比如预测股票市场的大幅度波动），我们希望能进行准确的预测。有趣的是，化简者如今拥有最大权威的领域，正是那些最难用实验来检验、组成结构错综复杂的领域，包括宇宙学（比如恒星、星系、类星体和黑洞的分布）、生物学（生命是什么？细胞如何工作？大脑如何运转？我们如何体验意识？）和粒子物理学（宇宙中的反物质为何如此之少？基本粒子的质量和电荷从何而来？质量和电荷究竟是什么东西？）。如果实验条件很难得到完全控制，观察到的实验现象模棱两可，那么，每个学科都将面临巨大的挑战。化简式的科学最为简单易行；并且，如果把科学看作一个带有很多控制旋钮的盒子，每个旋钮都可供我们旋转，化简式科学的效果是最好的。如果我们损坏了盒子，还可以尝试另一个新盒子。在这种情况下，化简者势如破竹，无往不胜。

　　但是，如果可测试性和可重复性受到挑战，科学就会陷入困境。如果科学家拥有关于世界如何运转的理论，他们就必须用它来做出预测。然而，如果进行这些预测需要花费几千年，并且需要超出我们的控制范围（比如恒星之间的碰撞）才能实现，那么，科学家就无法设计实验，无法等待和观察实验结果是否符合他们的期望，也无法通过重复实验来检验它的结果是否每次都一致，更无法通过轻微改变初始条件来重复实验，从而测试预测是否稳定。同样，目前还不可能通过在某人的大脑中设置一系列想法或者植入新的记忆，来观察数十亿的神经元是否会重复它们的放电过程。可测试性和可重复性的问题往往出现在那些目前尚无进展的领域，因为我们的实验无法与理论的步伐保持一致。相反，科学家只能依赖于观察某些特定的现象（比如用望远镜在宇宙各处搜寻一些星球间的碰撞），或者等待某些他们意欲测试的东西不经意地出现（比如观察癫痫发作时的大脑）。这种策略依赖于观察对象（比如恒星和神经元）的丰富程度和分布密度。因此，这种策略对观察那些鲜有发生或分布稀疏的现象来说十分困难，比如气候突变、股市崩盘、超新星爆炸或行星生命演化。

　　其结果就是，出现了一类十分特别的科学难题——在那些领域，虽然化简者的数量众多，却很难通过实验来检验。这些难题必须与那些对化简方法的运用已十分成功的众多科学领域（比如电子学和分子键研究）相区分，后者的科研成果已经形成了一个高度压缩的信息网，而这个信息网又孕育了许多新科学的种子。这些领域中的大多数都经得起多种实验类型的检验，保证我们能理解其背后的科学原理，也保障了其可信度。它们增强了我们对世界进行预测的信心，而这种信心对我们接下来要讨论的另一种科学研究方法至关重要。正是由于化简者在“信息压缩”的任务上十分成功，才带来了我接下来要讨论的第二种科学家角色。

　　介绍构造者

　　一旦化简者能胸有成竹地预测世界的某一部分是如何运转的，就会出现新问题，将我们引向一个截然不同的方向。“我们如何运用这些科学突破来构建一些东西，而不仅仅是进行简化呢？”一些科学描述不是在描述事实，而是控制事物之间的交互，是一些工具箱和守恒定律；这些描述的固有性质使其孕育出一类完全不同的创造性，将它们推广至新的领域。比如：“如果我对此物这么做，会发生什么呢？”或者“如果我将其加热，它会如何运转？”请注意，这类科学并不是直接探寻大自然的运行规律，而是在构建自然界中前所未有的一些结构。在这个过程中，“它是如何运转的”这类问题通常与“如何才能让它以不同的方式运转”这类问题成对出现。因此，我把这类科学家称为“构造者”，你也可以称其为“建造者”、“设计者”、“创造者”、“制造者”或者“装配者”等。他们可能没有把这些知识应用在某些具体的目的上（因此，“应用科学”这个名字并不能抓住其精髓）。他们可能是理论家或实验家。

　　构造式的科学是以化简者们的初始发现为基础的。假如化简者的初始发现在某些方面并不稳定，构造式的科学是不可能实现的。你可以将科学想象成一座高楼林立的城市。化简者们生产建筑工具，比如电缆、混凝土、梁柱和金属支架。构造者们则发挥想象力，将这些部件组合在一起，将刚性和压力的原理以及拱门、穹顶和扶壁的潜力发挥到极限，同时雕刻出优雅的形态。如果人们对这些部件及其组合方式的理解存在缺陷，将很快被发现，因为用它们搭建的楼房会很快倒塌。我们之所以并未目睹科学之城的分崩离析，正是因为我们所拥有的大部分知识都十分可靠，它们组合在一起，坚如磐石，固若金汤。有些人可能会认为，科学之城的坚固代表了科学家对新形式的拒绝、保守主义或者懒惰。然而，科学的这种宁静祥和恰恰说明科学整体上是成功的。这就好像要保证计算机正常运行，我们必须依赖对物理学的理解，让复杂的物理过程达到我们想要的状态，并让它们在每秒数万亿次的运算过程中持续保持这种正确状态。

　　科学知识的历史积累过程正是修筑科学之城的过程。这个过程形成了一张知识巨网，是我们赠予未来社会的礼物。这张巨网由很多东西组成，比如发表在期刊上的科学论文、科学家收集的技术和设备、所有在世科学家的知识总和以及他们的人际关系。这张网是由化简者和构造者共同构建而成的；二者互相交流，促进新科学的出现；同时，他们一起寻找知识之网中需要修补的破损之处。由于某些科学领域的知识之网结构致密，我们很难进行大的改动，其中也鲜有未被发现的空间。但从另一个方面看，即便我们对知识之网的各种细节了如指掌，也并不意味着科学就此沦为一种按部就班、依靠死记硬背持续下去的活动。相反，构造式科学中总是源源不断地产生令人惊奇之物——这或许正是科学的第二个奇迹。

　　化简者和构造者这两种角色对科学生态系统的创造力来说都不可或缺（如图2-2所示）。但是，为什么对部分的（化简者式的）理解并不意味着理解科学的全部呢？这是因为，在某一个抽象层级对科学的完美理解，并不足以告诉我们假如将这个层级的各个部分组成一个更加复杂的整体，会发生什么事情。坚硬的砖块并不能保证它们组成的拱桥坚不可摧。这涉及一个名为“涌现”（emergence）的概念，它的含义正如物理学家菲利普·安德森（Philip Anderson）所说，“多，意味着不同”。有人曾认为，关于夸克的亚原子结构的知识可以带给我们关于生命的生物化学知识，“涌现”的概念则彻底摧毁了这种想法。不同的科学学科之所以分成不同的层次，正是基于这一原则。比如说，人类早就猜测有些分子能进行自我复制，但这些知识并不是从化学知识中推导出来的，而是来自偶然的发现。科学家中的构造者，正是这种涌现式科学背后的推动者。

　　

　　图2-2 化简者和构造者的区别

　　从古至今，构造者在科学界都非常普遍。古列尔莫·马可尼是首个用无线电波将信息从英国传送到美国的人。他的工作建立在一整代化简者的研究之上，比如詹姆斯·麦克斯韦，他发现了电磁波（包括光线、X射线、微波和无线电波）基本方程组。有时，同一位科学家可以同时扮演化简者和构造者的双重角色，但通常情况下，这两种角色往往不会出现在同一个人身上。

　　肥沃的迷你世界

　　在现实世界中，科学由化简者向构造者的过渡十分微妙，不易被察觉。为了检验某个化简式的科学思想是否正确，人们通常会提出非常严格的模型。这往往意味着我们需要将这个思想拆解为一组更小的零部件，并开展一系列新实验，对这些零部件一一进行检验。为了理解一种有毒物质，科学家可能会将特定的化学成分注入某个细胞或某个特定的器官，然后对其进行仔细观察。为了理解地球的内部磁场，我们会在钻石砧室中对铁元素施加强压和高温。这种实验非常重要，因为它们能用简单的方式揭示现象背后的原理，在原本杂乱无章的世界中循序渐进、化繁为简，尽一切可能提炼出抽象的概念，并将复杂的干扰因素降到最低。这就是化简者所使用的武器的本质之所在。他们将现象从初始环境中提炼出来，并将这些抽象的现象放在一个“防护网”中，让其行为尽可能地贴近它的模型。这种方法本身就能创造出新的可能性，孕育出新科学。

　　对这种模型系统的一个传统应用是“思想实验”，这是汉斯·奥斯特提出的一种理论方法。一个世纪前，埃尔温·薛定谔等先驱科学家在研究量子理论时也大量使用了这种方法。由于量子力学主要研究微观层面的粒子运动，人们一开始常用它来解释为什么原子被激发时会呈现出不同色彩。这些理论不仅成功地解释了一些彩光现象（比如钠路灯），还表明对微观粒子进行观察实际上就会改变它的运动方式。20世纪20年代，想要实施这样的实验是不可能的。因此，人们更关心如何分析和构建“思想实验”，以此来思考其影响和含义。这些完全理想化的“实验”得出了稀奇古怪、不可思议的结论，从而激发了大量新理论的形成。最终，技术进步终于使人们得以在现实世界中进行这些实验，结果与之前思想实验的结论几乎完全吻合。如今，那些思想实验逐渐在现实世界中实现，促使年轻的科学家们（以及我们所有人）越来越相信量子力学理论的基本原理。我们目睹了来自大块蛋白质分子的波进入探测器后，仿若分身一般，同时挤进了两个间距极小的针孔。即便是这样宏观的大体积物体，也不吝向世界展现出它具备类似波一样的特性。

　　化简者用越发精巧的实验在单个观测粒子上证实了量子力学理论，构建出了理想化的理论结构。这促使构造者发挥想象力，设想利用量子系统的方法。于是，一个全新的子领域——量子信息学出现了。它运用量子力学来编码信息，动摇了使用0和1的主流二进制方式（如图2-3所示）。量子信息是由0和1的组合来记录信息，但多种不同的组合方式可以同时存在，就好像未来的电子电路可以同时切换到“开”和“关”两种状态，并对两种状态同时进行计算（因此更快）。相关的研究有很多，比如说，对单个电子进行测量，或者建立超级安全的量子密码学，保证没人能解读和复制你发送的重要信息（比如你的银行密码），又或者，对图片甚至物体进行远距离传送。目前，人们已经发明了极其敏感的量子设备，可测量地下储藏的石油的引力，还可以探测到人类大脑中的神经元如火花般闪烁时产生的局部电流。这些都是化简式模型在构造式工具中的体现。

　　

　　图2-3 思想实验、现代实验室中真正实现这些实验，以及在科学期刊上发表它们的结果，这三者之间的关系可以用本图中的示意图来表示

　　构造者都做些什么呢？

　　这应该为“构造者如何工作”提供了一点线索。比起解开大自然的奥秘，他们对建立新的模型系统、观察新行为的出现更感兴趣。有时，他们灵机一动，但在梳理想法的过程中，却发现了一些意料之外的东西。这正是他们比化简者更难解释他们所做之事的原因，因为他们不是在“治疗癌症”，也不是在应对类似规模的重大挑战。事实上，他们的突破常能成为解决大挑战的关键所在。他们无法预知结果如何，只有解决问题的希望与可能性。比如说，材料科学领域的从业者广泛分布在企业与高校中。他们的工作并没有聚焦在同一个宏大而艰深的奥秘之上，相反，大多数人为之奋斗的目标都十分分散。但是，他们取得的进展却能解决其他领域艰深的奥秘，比如说，建造出功能强大的照相机来眺望最遥远的星系或窥探最微小的细胞结构。

　　正是由于构造者目标的分散性，才使得他们比化简者更不起眼，但分布却更广泛。在物理学中，我们或许会将“寻找希格斯玻色子”视为典型的化简式科学（如图2-4所示）。而在构造式科学中，一个与“寻找希格斯玻色子”相同规模的例子是人们在20世纪为“理解麦克斯韦电磁方程的含义”所做的努力。而这番探索涉及人数之多，时间之漫长，是前者无法比拟的。即便如此，最近流行的时髦理论（就像科学中的“花车”）表明，我们对隐藏在这些光的波动方程中的内在潜力知之甚少，尽管我们对它们的表达式一清二楚。比方说，我们不知道怎样才能构建由复杂精细的亚微观金属丝网络组成的“超材料”，从而证明亚伯拉罕·弗莱克斯纳在1939年提出的“无用知识的有用性”。目前，全球可能有成千上万的科学家正在研究这个挑战的不同部分，以理解光波。但他们从未将各自的目标统一起来，因为他们总是各自为政，互相竞争，每个人只关注某些细枝末节。知识的碎片化，乃是当今构造式科学的主旋律。

　　

　　图2-4 化简者通常会围绕大挑战进行讨论。而构造者的研究则更加分散在互相竞争的研究团队中，并围绕热门话题迅速聚集

　　公众直到近些年来才对构造者稍有认知。并且，构造者没有像化简者那样激起公众的明显情绪反应。稍后我们将讨论它们与工程学和技术之间的关系。他们研究的问题通常深奥复杂，让人感到十分陌生，因而与普通人似乎距离遥远。想要为构造者确定一个清晰的远景目标并不是一件容易的事。这就好似大厦总能扩建、都市皆可蔓延一样，琐碎而细小的特征日积月累、聚少成多。然而，在构造式科学的整个发展过程之中，却出现了风靡社会的新思想和新技术。他们的创造力并不归功于某些个人或者某个研究团队，而是孕育于合作而又互相竞争的庞大科研团队网络之中。个中故事非常复杂，一言难尽。当技术进步的果实传递到我们普通人的手中时，我们通常十分感激，但却不清楚，也不知如何搞清楚它们是何时被创造出来的，也不知道它们背后的科学原理是什么。同时，我们对这些科学的某些用途存在着矛盾的情绪。比如说，有些技术既可以用于制造武器，也可以用于开采自然资源。要厘清这些用途，可不像化简者们解答科学问题那么简单。我们赋予了科学家为其“后继者”负责的责任，但问题是，我们所说的“后继者”，究竟是指最初的化简者，还是接踵而至的构造者？

　　化简者和构造者这两种科学家角色贯穿本书。在思考某些问题时，这种二分法十分有用，比如“为何媒体和政治如此关注化简者”这类问题。不管怎样，在科学家中，构造者的数量大于化简者。想要更好地理解这个差别，我们可以从“科学生态系统”的角度来看。但在讨论这些问题之前，我们需要知道这个世界上到底有多少科学家。

　　到底有多少科学家？如何衡量？

　　这个世界上到底有多少科学家？对这个问题，有人可能会脱口而出——“60多亿”，这几乎接近全球人口的数量。他们之所以得出这个答案，是因为他们认为，每个人从孩提时期开始都拥有成为科学家的内在倾向，每个人都对周遭世界充满好奇心，并通过实验和思考来探索世界。蹒跚学步的幼童能对周围的世界进行观察，并归纳相关假说，进行检验，最终形成理论和信念。许多人对学校教育体系多有怨言，因为他们认为教育体系扼杀了这种与生俱来的好奇心。但我不这么认为。我发现，每当自己用收集的智力游戏（比如三维鲁班锁或者波形排列的磁铁阵列）来考验朋友们时，他们无论老少都会用类似科学研究的方法来解决谜题。只不过，在我们的社会中，只有极少数人能得到正式的工作，将这些天赋运用在科学上。

　　从全球范围来看，专职从事科学研究的职业规模有多大呢？想要做一个初步衡量，我们可以估计科学家的数量，并估计该数量在未来会如何改变。大多数科学家都多多少少了解自己所在的子领域中有多少科学家，并强烈预感到这个数量正在激增，但全球一共有多少科学家呢？他们却心中无数。全球科学界作为一个整体，并不受他们掌控。

　　联合国教科文组织（UNESCO）收集了各国政府的数据，对全球专职科学家的数量做了估测。最近的估测数量是800多万人，而在2002年，这个数字只有500万，到2013年，这个数字涨到了接近800万。这个数字背后是数不胜数的研究项目。这800万人中的每一个人都在知识之网上奋力编织，弥合缺口。第一次看到这个数字时，我简直惊呆了，因为我认为这个数量实在太庞大了，还因为这800万人在地球上的分布十分集中，主要聚集在几个区域。请想象一座规模如同伦敦、开罗、莫斯科或北京的城市，每个市民都是科学家，每个人都在自己的科学岗位上鞠躬尽瘁、兢兢业业，并争先恐后地寻求认可。对于科学研究来说，这个人数十分庞大，并且增长十分迅速。早在1961年，德里克·德索拉·普赖斯（Derek de Solla Price）就对人类的科学活动进行了一些测量。结果显示，测量数据都呈现了指数级增长。他的一个结论是：在人类历史上所有科学家中，有超过90%的人依然在世。显然，这个结论在过去近300年来一直成立。但时过境迁，一切都在发生改变。

　　白大褂的激增

　　显然，800万名科学家并不清楚彼此的日常工作，因此，科学必然是碎片化的。那么，他们都分散在何处呢？在大多数西方国家，进行研发工作的人口比例常年处于0.4%左右。关于研发工作的概念到底是什么，我们稍后再讨论。但显然，所有这些人的工作都是为了发现新东西。目前，在中国、印度和非洲大陆，科学家的比例略显凤毛麟角。但是，随着这些国家的工业化进程和发展程度逐步加深，他们会将越来越多的人力资源聚集到科学事业上。这样一来，全球科学家的总人数将超过2500万人，并在接下来的50多年内增加两倍。这些新增的人口会涌入已经存在的领域，还是会创造出新的科学领域呢？我们并不清楚。或许，科学家将不再像现在一样主要聚集在西方国家，而是更加广泛地分布在全球各地。与此同时，西方国家的科学家数量将会减少。又或许，科学发展的步伐会加快，每年将有更多的科学突破呈现在我们面前。又或许，当今科学已经达到极限。在未来，科学研究的质量会保持现有水平吗？还是说，未来的每位科学家都将拥有更多时间和空间来确保研究的质量？稍后我们将会看到，科学生态系统的内部运行原理让我们对如何解决这些问题略知一二。

　　想要解决这些问题，了解科学家的数量十分有用，但这带来了更多问题。我并不想将我们的讨论变成对数据的堆砌，因为这并不能顺利地让你对科学世界产生整体认识。我采取的策略是在字里行间呈现综合信息，但也尽可能多地为你提供原始数据。许多数据对理解全局来说必不可少，但却晦涩难懂，因此，我们需要建立一个在线社区来改善这个状况。目前，对统计数据进行粗略查阅可以看出各个国家之间的不同，并且，某些地区正在发生变化。

　　人们感兴趣的一个方面是，地球上的科研人员数量增长得极快。目前，科学家人数的年增长率已经超过4%，而世界人口的年增长率只有1.1%。科学界的扩张非常迅速。科学家的数量每16年就能翻一番。不过，尽管全球科学家的年增长率超过4%（如图2-5所示），但在西方发达国家，这个数字要低得多，比如，北美为1.6%，欧盟为1.5%，日本为1.9%，这些国家早在20世纪50年代就已打牢了科学的基础。最近，印度（6%）、巴西（12%）、韩国（9%）以及俄罗斯开始模仿西方国家，建立起以高校和政府投资为基础的科研体系，科学家数量均取得了迅速增长。这些国家相信，科学研究能让它们在高科技领域有所建树，促进经济繁荣，巩固制造业的增长。反过来，如果一个国家在高科技行业突飞猛进，那这个国家一定支持一个对保持科学研究充满信念的新兴精英阶层。

　　

　　图2-5 不同国家科学家数量的增长趋势（数据来源于联合国教科文组织，包括高校、研究机构和产业内的科研人员）

　　科学家是谁？

　　在思考这些趋势的时候，我们不能不假思索地全盘接受联合国教科文组织提供的统计数据，而必须小心谨慎，仔细推敲。直到最近，各个国家才对“科研人员”的定义和判断达成了一些共识。联合国教科文组织所使用的“弗拉斯卡蒂定义”，可以追溯到2002年。它将研发定义为“在系统化的基础上，为增加知识存量、使用知识设计新应用而进行的创造性工作”。它的一大特征是“可观的新颖元素”，因此，它不包括常规测试、市场研究、专利申请或试生产，但是包括科学发展。这对我来说，似乎准确地描述了科学家这一广阔的群体以及他们共有的工作方式，将产业、高校和政府机构（这部分通常只占很小的比例）的研究者统一起来，组成了一个整体。

　　人类进行科学研究的方法丰富多彩。为了清晰地解释这一点，在此，我将采用一个假想的例子。这个例子的目标是使用真实数据来确定最优的性能指标，比方说，汽车发动机冷却系统在不同季节所使用的防冻剂配方（如图2-6所示）。要研究这个问题，方法有很多。其中一种方法是找出有效而准确的混合物（也就是对实际结果建立模型）。相比之下，一个更通用的方法则是找出背后的科学原理，建立一个模型来解释防冻剂的某些特征（解释性能）。另一种方法是研究不同的冷冻液在何种情况下可能会产生不同的性能（类型和等级）。更抽象一些的方法则是研究液体在承压流体中加热和冷却时的热力学性能，总结各种不同的液体效应，并考虑这些现象是否可能在自然条件下发生，或者是否可能在实验室条件下实现（也就是总结普遍规律）。上述所有的研究方法都既有清晰的问题，又有明确的答案，并且能够被划分为纯科学、应用科学、工程学或技术。与此同时，它们都横跨理论与实践。一些答案只在某些限制条件下成立，它们或许对某些公司在调整产品参数时具有参考价值。还有一些答案或许能为某个科学领域提供一种组织观察的全新方式。而这些不同种类的科学，都产生于同一个问题。因此，研究者只需稍稍改变一下研究问题的细节，就能使他们的触角横跨所有这些学科。只要新知识孕育于创造性、系统化的新颖研究，对我来说，它就能够被称为“科学”。

　　

　　图2-6 对同一问题不同方面的关注如何促进科技发展，满足人类好奇心

　　高校与私营企业进行的工程科学的区别只在于二者对问题的关注程度不同，也就是说，科学家对特定方面的关注程度。在我所认识的企业科研人员中，大部分都抱怨他们从来没有足够的时间来透彻地领悟他们的研究对象，因为他们必须尽可能快地解决问题，提供相关数据，然后继续下一个问题。有时，他们并没有创造新的知识，因此，我不认为他们所从事的是“科学”。相反，高校中的研究者必须从更抽象的层面上来理解问题，提供能在不同环境中被重复使用的知识。资金在各种投资者之间来回流动，模糊了上述二者之间的界限。技术只依靠“试错式渐进”就能稳步前进，而作为其基石的科学却往往落后很远。五百多年以来，科学对技术的这种“追赶”已经成为科学进步的驱动力之一。

　　弗拉斯卡蒂定义还坚称，学习如何做研究的研究生（类似科学“行会”的学徒）也应当被视为科研人员，这将极大提升高等教育系统中的研究者数量，远远超过从事学术研究的正式科学家数量。比如说，在英国，只有3.1万名科学家在高校的科学、医学和或工程研究部门拥有正式职位（占总人口的0.05%）。这个人数只占高等教育系统中科研人员数量的20%，只占联合国教科文组织报告中英国研究者总人数的12%。作为对比，让我们来看看美国的数据。2010年，美国拥有27万名学者，占科学和工程学教职员工职位总数的0.09%，占研究者总数的23%。哪种研究者增长最快？不同国家的答案不同：在中国和印度，正式学术研究人员增长最快；在韩国和西班牙，产业界的研究人员增长最快；在英国和美国，则是短期合同制的研究人员增长最快。在不同的国家，处在高校和机构中的科学家所占的比例也不尽相同（我们将在第3章中进行讨论）。比如，在西班牙和英国，这个比例超过60%，而在美国和韩国，则低于25%。这反映出与政府相比，企业能够或愿意在研究上投入多少资金。

　　哪些因素决定了每个社会中科学家的数量？由于科学家能够鼓励一代又一代年轻人的兴趣和教育，促进投资，因此，同生物的生态系统一样，科学的生态系统也具有强大的繁殖力。在自然界中，制约生态系统发展壮大的因素是资源：“资金”和栖息地的大小。无论在哪个国家，政府对医疗保健的投资规模都是科学研究的10倍还多，并且还在不断上涨。这在许多国家都引起了人们的担忧。相比之下，虽然科学研究的投资只占社会预算的一小部分，但却很可观，它稳定在一个令纳税人和公务员都较为满意的水平。科学投入似乎总是上升到一个让人注意到的水平，然后就停止了。但是，这个水平究竟到哪里才算合适？没有人能下一个令人满意的定义，也没有规定说科学投入应当减半或者应当翻倍。那么，对科学投入多少资金才算合适呢？

　　在产业界，不同企业雇用数量不同的科学家（通常是构造者科学家）来帮助他们创新产品或服务。对企业来说，他们必须持续不断地产生盈利和增长，才能在残酷的竞争中生存下去。于是，科学研究成了他们的一大驱动力。但是，在科研上投入过多，会与商业活动的其他方面抢夺资源，并且可能无法获得回报。因此，想保持平衡是十分微妙不易之事。过去几十年里，企业中的科学家数量持续增长。大多数情况下，这个增长率与政府支持的科学家的增长率不相上下（英国除外，英国企业中科学家的数量在过去20年都没有增长）。因此，社会财富的增长在科学上反映在两个方面：一是政府投资的科学，二是企业为推进自身技术基础而投资的科学。

　　一个社会的政府机构和高校能支持多少科学家，还取决于科学家工作的另一个方面——本科生教育。纵观高等教育的历史，可以看到，高校组织本科教学的场所是各个院系，而院系则是依据科学学科组织而成的。在许多国家，越来越多的年轻人选择进入大学接受高等教育，这也可以解释教授数量的增长。然而，如果人们对科学专业的印象是“很难学好”，并且，理科毕业生在其他需要用到数学能力的领域（比如金融）更易获得高薪工作的话，选择科学专业的学生数量就会下降。反之，科学专业的学生数量就会上升。如果一个学院的学生数量骤降，政府部门施加给高校管理层的经济压力就会陡增。过去几十年里，在某些国家曾出现高校学生“逃离科学”的现象，学术科研人员失业的现象也时有发生，这引发了人们的担忧。但慢慢地，这个现象会对该国的经济形势产生迟来的作用，进而影响社会对科学教育从业者的需求量，最终重新达到平衡。经济形势变化带来的影响是缓慢而滞后的，这意味着现状总是令人不满——寻求改变的压力无处不在。但从全球范围来看，科学专业的学生数量是稳步增长的，这也支持了科学家数量的增长。

　　新的学术研究人员何去何从？获得终身职位的研究者都投身于什么科学领域呢？由于科学领域十分碎片化，分散在不同国家的不同部门，因此，很难进行完全综合的比较。英国政府对科研活动进行了一系列评估，提供了一些有用的数据：在3.1万名专职科研人员中，25%是物理科学学家，16%是从事生物学相关研究的科学家，34%是医学科学家，25%是工程师。美国的终身教职人员的比例与英国类似，30%是物理学家，52%是生物或医学科学家，16%从事工程学。过去十年里，生物科学家的数量增长最快。目前，他们的数量已经超过了物理科学学家，几乎是后者的两倍。由于不同国家对不同学科的优先级不同，因此，上述比例在不同的国家皆有不同。什么比例才算是正确的比例呢？目前并无共识，甚至无人讨论这个问题。各个领域都在政客耳边吹着不同的“枕边风”。风水轮流转，谁也不知道明年好运到谁家。

　　从全球范围来看，科学家的数量每年增长4.4%，这相当于每年新增30多万名科学家。在美国，每年在产业界新增的研究者接近2万人，高校中新增5 000多人。在中国，每年新雇用的研究者多达19万人，其中超过15万人进入了产业界，超过2万人进入了学术界或科研机构。全球来看，每年有超过9万名新研究者进入高校或政府机构，其中大部分从事科学、医疗和技术工作。这些只是每年新增的数量，在此之下，已存在数量庞大的200万人的科研队伍；这还没算上所有的技术员和从事行政和支持工作的雇员——是他们的存在才让科学家的研究工作成为可能。那么，这些研究者都在做些什么呢？这个世界真的需要新增这么多科学家吗？稍后，随着我们对科学生态系统的探索逐渐深入，我们将看到，这些“科学新人”中的大部分并不是在开创全新的领域，而是沿着既有的路径，循规蹈矩地工作，因为这样更能提升他们的职业信誉，对他们的职业生涯来说更有用。

　　科学家如何自我定位？

　　“追问自然界的问题”与“寻求答案以进行技术开发”之间的联系，创造出了两个相依相随的循环过程——科学的发展与技术的进化。目前，二者紧密相连，每个科学家都必须同时考虑它们——提出新问题，并思考过去的答案可能带来什么应用和影响。然而，科学实在太广袤，科学家不可能同时参与所有事情。人类社会厌恶同质化。科学的疆域日渐分割与彼此隔离，产生了由学科、领域、幕后“老板”以及国家边界划分出来的区域。

　　学科之间的边界已变得不可逾越。从文艺复兴时期的自然科学“大扩张”和后来维多利亚时代的工业化导致的“科学大爆炸”起，科学就被划分为不同的学科。在这些学科中，不同的自然规律占据着中心，它们被视为该学科的金科玉律。尽管学科之间其实是互相联系的，但学科划分将科学划分为特定的视角和尺度。比如，化学家从量子物理学总结的抽象规律中摘选出有用的知识，用来解释将原子组成分子的结合键及其相关反应。地质学家将矿物化学和生物周期的知识装入囊中，以帮助他们理解基岩及其边界是如何在漫长的时光中逐步形成的。学科边界的存在对科学家的训练有所帮助，这样一来，在浩瀚无边的科学之海中，他们得以聚焦在一些定义明确、边界清晰的部分，学习它们的基础，并选出自己最感兴趣的领域。这是不是训练科学家最行之有效的方法，尚有待讨论，但这个过程在科学生态系统中已经稳定下来，成为坚实的基石。我在IBM工作时，人们告诉我，当你提出要一名“化学家”的需求时，你对哪些人会出现基本上能猜个八九不离十。除了对所需的技能组合进行规定之外，基于学科的教育还在科学知识之网中形成了不同的思考方式和观点。

　　化简者与构造者的划分把风格一致、焦点相同的学科编织在一起。自然科学通常更倾向于化简者式的科学：数学、物理学、化学、生物化学和地球科学。这些学科的一个共同特点是它们都为其他领域提供基本原理。工程师将这些原理用在构造式科学中，但努力将其抽象化，以取得最佳的结果。医药科学与卫生保健领域将化简式与构造式科学结合起来，关注生物世界的问题与答案，小到分子级别，大到大规模疫苗接种。我们还应当注意到，联合国教科文组织定义的科学家中还包括一些数量较少的种类，比如社会科学家（他们研究经济、人群或网络的系统性质）、农学家（他们从几万年前就开始研究自然世界）以及人文学科的研究者（他们的数量相对较少）。

　　想要了解历史上化简者和构造者的比例，并不是一件容易的事。他们各自的数量似乎并未大起大落，但却很难追踪。但我们可以追踪过去学术界与产业界各自所占的比例。联合国教科文组织的数据显示，在过去30年里，没有一个国家的产业界研究者的比例变化超过20%，这远远小于不同国家的产业界科学家比例之间多达60%的差距。不同的社会所支持的公共科学与私人领域科学的“配方比例”似乎也不同。然而，这种稳定性清楚地表明，以科学为基础的产业正在蒸蒸日上，但其扩张的部分并不是完全由工程师所占据——学术研究也一直与技术发展并驾齐驱。无论是在学术领域还是商业领域，化简者与构造者都在不断扩张。

　　最后一个划分科学家等级的标准是考虑他们的金主是谁。在800万名研发科学家中，有超过60%的人跻身于产业界。在那里，科学家们必须把精力集中在那些可以推动技术发展的科学上，以创造出消费者甘愿掏腰包的产品。高校中的科学家们经年累月地尝试寻找和理解科学大厦的一砖一瓦，检查哪些部件存在弱点或缺点，可能坍塌。与此同时，产业界的科学家们则聚精会神地打磨和黏合那些必须保持坚固、不许坍塌的部件。

　　谁对科学大厦的不同部件有所贡献？他们又贡献了些什么？要讨论这个问题，就必须深入了解人类社会的部落特性。尽管科学家总是号称自己很理性，但在关于“谁更重要”的问题上，他们却倾向于强调自己的角色，追求自己“部落”的小团体利益，消耗过多精力来建立权势等级。在科学界，任何定义的抉择都不仅是“文字游戏”那么简单，它还决定了谁能成为手握权势的领军者，因此也决定了在这个“自我强化”的过程中，谁能在科学竞技场中聚拢资源，产生更大的影响力。

　　正如前文所述，化简者与构造者的划分，与科学和工程学的划分、纯科学和应用科学的划分，或者理论和实验的划分都不一样。在美国和日本的工程部门中，较为常见的是构造者式的科学；而在英国，设备的创新通常发生在物理学或化学部门。人们将自己视为科学家还是工程师取决于他们所受教育的文化或他们在现在的工作文化中的地位。正如其他所有刻板印象一样，你越明察秋毫，越能发现这些边界是如此模糊。工程学的科研人员可能正在追问产品性能的基本问题，而理论数学家可能会为互联网设计具有实用价值的加密方法。诚然，工程师通常都是构造者，但更多构造者可能并不会将自己视为工程师。构造者在科学领域分布极为广泛。只要是人类能用创造力来解决问题的地方，都能看到他们的身影。

　　外界如何看待？

　　在某些学术环境中，一个科学家研究的课题越“纯科学”，其所受的敬重就越高，但私营企业中，情况可能正好相反。那么，公众如何看待科学界的等级划分呢？科学界内部的等级偏见似乎“泄露”到了外界，因此，大众对这种等级划分的情形似乎并不陌生。公众通常认为，科学主要是化简者对基本问题的探索。在这种探索过程中，富有价值的技术以某种方式出现了；我们不仅认为这些技术是有价值的，而且认为它们必然会降临。科学与技术是如何联系起来的？这个问题在公众的眼中十分模糊。人们对构造者们视而不见。想要了解化简者与构造者在公众眼中的区别，只需要对比一下化简者艾萨克·牛顿和与他同时代的构造者亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）的名气，你就明白了。即便到了现代，科技梦想家与集成者（比如史蒂夫·乔布斯和比尔·盖茨）所受到的尊敬程度也远远超过那些真正让技术变成现实的构造者科学家。即使是初入学术界的学生也抱有这种态度。他们被“探索世界”的俗套老话吸引，各种“促销”口号互相竞争，试图赢得他们的心。只有经历几年的刻苦学习之后，那层浪漫的外壳逐渐褪去，呈现出糟糕而凌乱的本质，真正的科学才开始向年轻人闪烁微光，吸引他们靠近（但这种吸引力可能依然充满了误导性）。奇怪的是，所有这些观点无法构成一个中立的立场。因此，论及尼古拉·特斯拉或阿兰·图灵这些人的真正贡献时，人们常感觉混混沌沌，讲不清楚。

　　在公众眼中，科学主要是化简者的工作，而技术则是工程师干的活儿，但却不清楚构造者式的科学要做些什么。但构造者们显然视自己为科学家，他们的动力来自创造新事物的欲望，以及那些新造物之美。从数量上看，构造者至少和化简者一样多，但他们并不像化简者那样簇拥在“大挑战”的周围；他们在社会中的分布就像掌中砂砾一般，如若握紧拳头，就会从指缝间纷纷滑落，而不像石头一样能紧紧握在手中。化简者们常觉得他们才是“真正”的科学家，但是，当他们游说社会对他们进行投资时，却不忘提到他们的成果可能带来什么产品。实际上，那些产品大都来自作为中间人的构造者科学家。化简者与构造者之间的紧张局势影响到资金的投入总额。理解个中纠结能帮助我们更好地估算不同的科学群体对社会资源的不同需求。

　　在本章中，探讨该问题的另一个方法是从历史的角度，将科学视为一个“生态系统”。这个比喻会贯穿本书。我之所以使用这个比喻，是为了将其作为探索和理解科学事业的媒介。接下来，我将介绍一些有关生态系统的思想，并试图将其与科学的组织方式联系起来。在后面的章节里，在探讨“科学的真相”之后，我们将回到这里，从“生态系统”的角度来观察科学的整体。

　　1. 弗拉斯卡蒂（Frascati）是意大利中部的一个小镇。经济合作与发展组织（简称经合组织，OECD）在这里起草和发布了关于收集研发统计数据的《弗拉斯卡蒂手册》（ Frascati Manual）。——译者注

　　生态系统是什么？

　　生态学家研究的是生物的组织与丰富程度，以及它们如何在彼此的关系与交互中出现与进化。为某个生态系统划定一个区分内外的边界难免落入武断和随意的陷阱，但这个边界越简单，该生态系统就越清晰，对其进行研究也就更合乎情理。在生物的生态系统中，能量与养分在其组成部分之间的循环是非常重要的。几乎所有生命都仰赖洒遍大地的阳光。这些阳光被藻类与植物体内神奇的绿色分子吸收，一点一点逐步散播到生物界的各个角落。

　　想要在科学的生态系统中讲述同样的故事，我们必须将所有参与者考虑在内。除了数量巨大的科学家之外，我们还应当考虑投资人、科学期刊、科学媒体（比如杂志或博客），以及科学协会、科研机构，甚至包括看重研究的企业，它们的数量并不少（如图2-7所示）。科学家在这个生态系统中进进出出，因为他们除了科学家的身份之外，还是纳税人，支持慈善事业，购买支持科学的商品。但与其他人不同的是，他们的职业生涯紧紧根植于这个生态系统，与外界的广大公众相隔离。

　　

　　图2-7 科学生态系统中的角色。每个“物种”内部都存在竞争。一些“物种”内部形成了明显的等级划分（“1，2，3…”），比如高校。还有一些“物种”内部的竞争十分激烈（箭头），但说不清谁夺得头筹，比如说客。还有一些“物种”内部的差异化程度较高，竞争不那么直接（圆圈），比如工程或医疗等不同领域的研究经费提供者

　　不管其规模大小、重要性高低、构成如何，所有参与者的行为都好似生物一般，他们做出的决定取决于他们对周遭世界的影响与交流。在科学的虚拟世界中，有些影响是很近的，而有些影响并不直接，需要通过一系列中间媒介才能发挥作用，这样就在整个科学生态系统的周围构筑起了一道留有少许孔隙的围墙，物质的流入或流出时有发生，使其内部保持着一种可见的动态平衡。

　　科学的阳光

　　如果说生物的能量源泉是阳光，那么科学的能量源泉是资金吗？显然，从支持科学研究本身，到建造基础设施，供养期刊和媒体，以及培育新兴科学家，任何事情都需要钱。金钱是科学的基本投入之一，从这个角度看，我们确实可以将“资金”视为科学的“阳光”。它是科学的重要能量来源之一，但并不是唯一来源（如图2-8所示）。

　　

　　图2-8 自然生态系统与科学生态系统

　　处在食物链底端的生物过滤和吸收太阳赐予我们的慷慨馈赠——阳光。植物和藻类竞争着阳光，但它们学会了从彼此那里“凿壁偷光”。于是，森林顶部形成了冠层，海洋时有藻类泛滥，进而影响了进化的历程。天上不会掉馅饼，也不会自动掉下金钱，因此，在我们广大的社会中，科学的资金主要来源于税收、企业利润、投资和捐献。地球在绕日轨道上运行时会有几个百分点的振动，这对地球吸收的阳光量有影响，但影响甚微。然而，科学生态系统的重要能量输入——资金的波动却很大。从全球来看，过去几个世纪以来，对科学的原始投入一直在持续增加。

　　生态系统的资源

　　在生态系统中，营养物质的循环非常重要，直接制约和塑造了每个地区的植物群和动物群。水、碳、氧、氮和磷所构成的重要的“生物地球化学循环”（bio-geo-chemical cycles）取决于规模小至分子、大至山峦的生物化学与地质过程。该循环中的任何一个组成部分出现短缺，都会极大地阻碍生命的繁荣，只剩下对恶劣环境具有特殊适应性的物种占据着一些生态位。能累积最多资源的生物最有可能兴旺繁荣，这导致了它们对养分的激烈竞争。

　　而在科学的生态系统中，“养分”代表不同的资源：人、基础设施和形式化结构（比如清晰确定的职业路径或者定期举行的学术会议等）。接下来，我将对它们一一进行介绍。

　　人是科学的血液与命脉。他们年轻时对科学产生了热切的兴趣，通过各个学科的训练，成了研究者、演讲者、作家、电影制作人、编辑、审稿人、会议组织者、委员会成员等等。这些新鲜的人力资源直接成长为功能明确的角色，分布在各个组织和机构中，而在这些组织和机构中，他们又形成了其他角色。

　　基础设施是来自历史的遗赠，包括高校、同步加速器、望远镜、显微镜和数据库等部分。在此基础之上，人们构建起了科学的大厦。基础设施的硬件部分是固定在地面上的，极不均匀地分布在地球表面，难以发生快速改变。电力基础设施或许在全球各地都能接入，但从局部来看，它们却牢固地嵌入了各种研究所和机构的内部。人力资源可以自由流动，但却受限于他们的花销和技能。

　　形式化结构也是形成于过去，它们让系统有效地运转。比如，你如果想成为一名科学家，就必须遵循一条已被全世界广泛接受的明确路径——攻读博士学位。授予博士学位的标准早在中世纪就已在各个行会中建立起来了。再比如，如果你想发表科技论文，就必须经过同行评议。这种同行评议系统也有悠久的历史，它与启蒙运动时期的自然哲学家在对好奇心的形式化追寻出现之后建立起来的系统极为相似（我们将在第4章探讨这个话题）。但这些机制与自然生态系统中的养分有所不同，因为这些机制作为资源数量并不是有限的，而是可以被自由复制的。正如基因可以在不同物种之间跳跃，从而让更多生物具备更好的适应性一样，这些有用的工具也能“演化”成一套思想，或口耳相传的概念，通常被称为“模因”。科学生态系统中的每个部分都有一套自己的“模因”（也就是它的“模因组”），它们和平共处，并将那些不合时宜的思想踢出去。

　　但是，并不是所有东西都能被复制。每个国家授予的科学学位的数量取决于这个社会在科学教育和科学训练方面的投入有多少。由于资金是有限的，这成了科学生态系统的一个瓶颈，限制了未来科学家的总数量。这些“养分”的输送对一个生态系统来说至关重要，它既能创造资源，也能对资源进行循环利用。

　　科学的栖息地

　　在自然生态系统中，一个种群周遭的物理环境组成了它的栖息地，包括土壤、空气、水以及外界环境的影响，比如气候和地形。在科学生态系统中，研究机构是科学的“栖息地”中的一个重要特征，因为许多科学家都深深根植在高校或涉猎广泛的企业中。正如岩石的特征决定了什么植物能够在其上繁衍生息，对科学家来说，不同的高校拥有不同的特征，而这些特征决定了它们是否有助于科研。

　　高校对名气的竞争在全球愈演愈烈，这让高校越来越意识到彼此的存在，并对彼此做出越来越多的反应。在过去，机构内部具有各种各样的微观“栖息地”，它们决定了人们对科研的态度，并产生了各种支持科研的不同方法。不同的国家中可以形成规模更大一些的栖息地，将不同类型的高校、学术职业、投资机制或公众的尊敬度和曝光度包含在内。但是，近几十年来，科学家所在的高校的地理位置变得越来越不重要了。同样，由于全球化，企业也开始不那么在乎在何处建立研究实验室，这消除了不同文化（比如日本和美国）之间产业创新的差距。栖息地的加速合并导致了多样性的降低。不同地域的科研方式变得越来越接近，比历史上的任何时代都更加趋同。

　　政治气候能极大地改变科学的自由度与经费开支，它决定了科学研究的时间、地点以及在科学的不同领域中投入多少。人们常用千变万化的天气来比喻政治形势，比如干旱、风暴、龙卷风和洪水，这些比喻也可以用来形容科学的政策气候。虽然政治思想会被科学进程改变，但这种改变十分缓慢。比如，“气候变化”是科学生态系统中的一个话题。在该话题下，科学家做出了一些长期预测，但是这些预测对政治辩论的改变十分缓慢，相关的政策行动更是远远落后。因此，在大多数情况下，“政治气候”只是科学的“外部因素”。在划定科学生态系统的范围时，我们不一定要将主流政治及其与科学的互动放进科学生态系统中。对科学投资的原则一直在演化，而这个演化过程决定了科学界的未来方向，以及人们最看重过去的哪些科学成就。

　　科学生态系统服务

　　生态系统为人们提供产品与服务。生态系统的产品指的是那些看得见、摸得着的产品，比如食品、木料或石油等实用品。生态系统的服务则不那么具体，也不一定具有实在的形态，但却带来了实际的益处和改善，比如保持大气层中的氧气、清洁空气和水，或对作物进行授粉。还有一些生态系统服务更加看不见和摸不着，比如荒野、遮天蔽日的森林和高原沙漠带给人们的美感与启发。资本主义常低估生态系统服务的价值，这是资本主义的一大问题。人们认为这些服务是理所当然的，不知珍惜，直到它们被破坏殆尽，走向崩溃。

　　将这些概念放到科学生态系统中，我们可以区分出两种产出。第一种是有形的产出，比如新科技、改良的药物以及技能培训。第二种是无形的产出，也就是科学生态系统提供的服务，比如，科学加深了人类对周遭世界、地球以及整个科学框架的理解，让我们可以理性地解决社会问题和政治问题，并改善各个国家之间发展的不均衡。同时，它还包括我们珍视但却难以言说的许多东西：数学之美、教育内在价值的深层动机、跨国科学界的内在价值、科学共同体内的学术讨论等。我们可以将科学生态系统提供的这些服务称为“SciES”。它们的价值被低估了，并且总是被投资人和政府视作理所当然（如图2-9所示）。

　　

　　图2-9 生态系统从自然世界（左栏）到科学世界（右栏）的转换

　　稳定与改变

　　人类之所以越来越关注生态系统，是因为我们对地球生态圈造成了太多显而易见的改变。科学家们着重研究那些脆弱的生态系统，试图理解其背后的原因。一个稳定的生态系统应具备抵抗力，也就是说，当其受到扰动但平衡状态改变不大时，该系统能够抵抗这种改变。同时，一个稳定的生态系统还应当具备恢复力，也就是说，它能迅速回到被扰动之前的状态。一般而言，科学生态系统对改变的抵抗力通常相当强，但是不同科学领域的恢复力却明显不同。物理学家能在物理学的子领域间迅速来回：他们总是受到新资金的诱惑和学术兴趣的驱使而踏入其他领域，比如工程学、化学、生态学、生物学和神经科学。材料科学家也受到同样的诱惑，但是在不同的国家，他们受到的诱惑程度不同。美国的材料科学家拓展兴趣领域的速度最快，远远快于其他国家。相比之下，化学界则具有一种独特的文化——100多年来，化学缓慢地演化与发展，逐步形成了一些正式分支，比如无机化学、有机化学和物理化学，但这些领域之间的碰撞却十分罕见。

　　这种对改变的抵抗力和恢复力塑造出了科学的许多特性。尽管科学家们总是声称自己的积极性源自好奇心，但他们却对“胡萝卜”和“大棒”的反应十分迅速，这主要是因为科学家们总是各自打算，而非作为一个集体来做决定。与此同时，投资者、出版商、学术团体、会议委员会和其他组织角色的反应非常缓慢，正是因为他们是集体而非个人。他们获取资源的方式十分单一，主要是以竞争的方式。因此，科学生态系统各个部分行动的时间尺度参差不齐。对科学家来说，他们所在的精英机构行动速度似乎异常缓慢，这使他们十分沮丧，甚至视其为耻辱。大公司也是如此。正因如此，科学家时常感到无能为力，因为他们感觉自己受制于系统，无法自由行动。

　　多样性

　　生物多样性总在不断变化。当一个缺乏天敌的物种入侵，战胜其他物种并侵占它们的领地时，生物的多样性就会降低。疾病也会毁坏生物多样性，尤其是当杂交繁殖缩小了基因库，导致整个种群极易受到灾难性感染的影响时。意想不到的是，如果进化的速度过快，也会降低生物多样性，因为在这种情况下，会进化出一些极为相似的不同物种；尽管它们属于不同物种，但却没能进化出崭新的生存模式，而是彼此竞争同样的资源，从而降低了生物多样性。生物多样性的抵抗力和恢复力至关重要。

　　达尔文式的竞争

　　我写这本书的动机是用不断演化的生态系统来描述人类构建的科学研究世界，但我们应当对这个类比保持质疑，因为它可能会带来某些误导。和自然界一样，科学生态系统的许多特征都来源于竞争，因为只有竞争中的优胜者才能生存和扩张。进化论中有两个协同运转的思想：“适者生存”和“兼并传衍”。在前者中，竞争体现在物种与环境的互动过程中——不同的物种拥有不同的优势和劣势，环境对不同的物种配给不同的养分。在后者中，竞争则体现在基因上，这是物种的造物蓝图。生物亲代与子代的基因几乎完全相同，但基因突变和有性繁殖对其进行了少许修饰。只要这些修饰对生存有利，它们就会代代累积。

　　我们没有创造科学家的“蓝图”。科学家的子女也不一定会进入相同的领域（不过，科学家的后代更有可能成为科学家）。但我们依然可以看到一些与基因遗传类似的现象。比如，科学家在实验室里向年轻的研究者传道授业。除了知识以外，这些年轻人还会学到年长科学家的研究风格、研究态度和研究兴趣，但进行了一些微妙的改变。学术期刊也会创造出与自己类似的“后代”。提供科研经费的机构常经历清算、分割或重组，但通常情况下，许多原来的员工会留下来，从而将原来的文化传承下去。对研究机构而言，虽然不存在类似“基因”的东西来指导人们如何建立一个研究机构，但是，它们“后来者”的体制都遵照几乎完全相同的“模子”来建立。这种现象与“基因表型”十分相似。这个现象来源于人类组织的保守天性。尽管缺乏正式蓝图，人们心里对“某些事情应该如何完成”却有着既定的标准。对人类来说，想要冲破常规、违背经验是很难的。对意欲创新的科学家来说，这更是难上加难。

　　让我们再次回到“什么是科学”这个问题。我提到的“弗拉斯卡蒂定义”十分准确，它强调，科学研究就是那些为增加科学知识而进行的具有新颖性、系统性和创造力的工作。按照这个定义，科学家的总数一直在持续增长。只要我们一如既往地重视新一代科学家的教育，那么科学家的数量到下个世纪将增加两倍。在本章中，我介绍了化简者和构造者对科学事业的贡献（后者的数量更多），二者聚焦的方向和目标有所不同。我还介绍了交错纵横的科学世界是由各类角色所组成的，包括数量众多的人和机构等。我采用了一个行之有效的比喻——“生态系统”来描述科学世界的运转及其内部角色之间的互相竞争。这让我们形成了一个概念，稍后我们将看到这个概念会非常有用。接下来，我将开始对这个生态系统进行探索。首先，请和我一起来看看科学家的动力来自何处，以及为什么这对我们的社会大有裨益。

　　第3章 科学的驱动力

　　科学的目的是什么？

　　是什么激励科学家从事科学事业？每个科学家的答案都不同，这取决于他们在科学生态系统中的处境。在本章中，我们将清楚地看到，许多科学家最初选择科学事业，都没有明确的终极目标。通常情况下，科学家的原动力来自好奇心。在他们追逐好奇心的过程中，催生了新技术，从而让更多的科学研究成为可能。这形成了一个良性循环，将科学的各个部分连接成一个整体。

　　本章伊始，我将探讨在不同的国家中，化简者科学家与构造者科学家扮演了怎样不同的角色。接下来，为讨论好奇心如何驱动科学研究，我将分析科学界的一个重要荣誉——诺贝尔奖，以此来探讨关于科学的动机和实用性的问题。

　　化简者与构造者，哪个更多？

　　化简者想理解这个世界的自然科学系统。构造者想用这些知识来整合新的科学领域。要想对科学生态系统有所了解，就必须了解在这二者中，谁得到的支持更多。科学界外部的世界总是认为大多数科学家都是化简者，实际上，是不是构造者的数量更多呢？想精确计算二者的数量是不可能的任务，一部分原因是每个科学家在人生中的不同时期可能受到不同问题的驱动，因此在不同的阶段可能扮演不同的角色。即使在同一个科研领域中，新的理解可能会很快带来新的实用机会。同时，反向的过程也十分常见。比方说，一个构造者式的科学领域可能不断涌现新的特征，让化简者们充满好奇，想要理解得更加透彻，从而让这个领域成了化简者的关注焦点。

　　有时，科学家只需读一读一项研究的摘要就能判断它属于化简式还是构造式科学，但这个任务极难被自动化。我们可以大体上假设，产业中的科学家大多是构造者，因为他们的目标是创造新产品。在不同的国家，产业科学家所占的比例也不同，在美国大约为80%，在西班牙和英国大约为35%（如图3-1所示），而在全球的比例约为61%。由此看来，似乎超过一半的科学家都是构造者。

　　

　　图3-1 1990年和2010年各个国家分布在学术界（下半部分的柱状结构）和产业界（剩下的上半部分）的科学家的比例

　　要了解构造者究竟比化简者多多少，我们必须了解高校中化简者与构造者的构成，但这并不是一件容易的事。一种方法是，我们或许可以先记录各个院系中学术研究者的数量，然后将院系划分为化简式或构造式，再进行加总。或者，我们也可以从单个科学家出发，用他们发表论文的期刊来判断他们从事的是化简者式还是构造者式的科学（或者，他们工作的哪一部分符合化简者或构造者的标准）。但问题是，许多期刊都同时刊载化简者和构造者两种类型的“论文”（指较为简短的科学报告）。因此，我们必须想办法区分两种论文，分别探索其背后究竟是什么问题在激励和驱动着它们——是对自然世界的探索，还是新发明创造。

　　诺贝尔奖的标准

　　一个可行的方法是从科学界抽取一个子集作为样本，这个子集的规模必须足够小，小到足以进行细致研究。在这里，我选取的样本是过去60年中的诺贝尔奖，包括诺贝尔物理学奖、诺贝尔化学奖以及诺贝尔生理学或医学奖。我想要看看，对这个子集进行分析是否能呈现科学变化的趋势。尽管诺贝尔奖只授予科学共同事业中数量极少的个人，但它强调了科学“连续剧”中的一些亮点时刻，并奖励那些多年来持续不断投入精力的杰出者。

　　首先，我想要说明，我并不认为诺贝尔奖对科学家具有多大的激励作用，因为诺贝尔奖的荣誉只属于各学科中“对人类做出最伟大贡献”的少数科学家。诺贝尔奖的评选通常需要在各领域中顶尖的探索者与剩下的所有科学家之间划清界限。问题是，我认为科学是一项人人互相连接的集体事业，没有人是一座孤岛。即使是最杰出的科学领袖也得依赖前人取得的进展和其他人的奋斗。一些活跃的科学前沿领域根本找不出三个毫无疑义地被公认为该领域创始人、理应被授予诺贝尔奖的科学家（每年每个种类的诺贝尔奖最多只能授予三个人）。因此，我认为诺贝尔奖夸大了少数英雄的贡献而忽略了科学家集体的力量，只强调少许闪亮的时刻而忽略了科学故事的连续性；与此同时，它强调简单的故事而忽略了复杂的事实（如图3-2所示）。

　　然而，诺贝尔奖也有许多好处。它让普通人得以了解一些非常有趣而活跃的科研领域，并对一些多年来坚持不懈的科学家进行奖励——诺贝尔奖所奖励的科学突破平均发生在20年前。到评奖的时候，该领域的科学家们早已度过了最初的震惊阶段，真正搞明白了该突破到底有没有用，如果有用，要怎么用。过度膜拜胜者的人们沉迷于讲述个别科学家的故事，戏剧性地呈现科学故事。这种曝光能让人们意识到“过去对科研的社会支持”和“该支持带来的长期结果”之间的联系。因此，诺贝尔奖是科学生态系统提供的一个服务，如果没有这个服务，我们将做不到这么好。

　　

　　图3-2?每年，诺贝尔奖颁奖典礼从生理学或医学（右上角）、物理学和化学（右下角）研究者中分别选出最多三个人，作为最有贡献者。图片来源：诺贝尔传媒/亚历山大·穆罕默德

　　分析整个“诺贝尔奖阵容”有一个好处，那就是能让我们每隔一段时间就对各个学科的重要科学发现进行“检阅”。接下来，我将挖掘过去60年的诺贝尔物理学奖、化学奖以及生理学或医学奖，看看从中能了解到科学家的什么动机。你可能会同情地认为，阅读几百份在我专长领域之外的科学突破并不是一件容易的事。因此，你可能会假定，要消化这些知识，总免不了囫囵吞枣，流于表面。但是，分析这些研究项目最初的动机却是完全可行的——它们要么是为了揭开关于自然世界的某些科学真相，要么是为了创造出宇宙中前所未有的东西。只有少数项目二者兼有（或者讲不清楚属于哪一个），因此我认为，据此进行的统计是相当可靠的。有时，同一个诺贝尔奖涉及几个不同的领域。对这种情况，我将区别对待（因此，在统计时，每个领域中的奖项数量实际上多于60个）。关于年份，我只将1952年之后的诺贝尔奖纳入考虑范围，因为那正是现代科学即将起飞的时间点；同时，我会将最初30年与最近30年的数据进行比较（由此带来的统计误差约为3%）。

　　首先，我们来看看诺贝尔物理学奖，它实际上包含了工程学和材料科学的许多部分。我们发现，1952年到1981年，四分之三的诺贝尔物理学奖获得者属于化简者，但是最近，构造者打破了这个比例。1982年到2011年，构造者的数量占到了一半以上（如图3-3所示）。尽管关于宇宙如何运行的一些基本问题已经解决了，但物理学并没有停下脚步。相反，通过创造出具有完全不同性质的令人惊叹的新竞技场，人们开辟了富饶的领域，它们显然是人类的创造。让这一切成为可能的技术主要是在20世纪下半叶发展起来的。这个趋势很可能还将持续下去。可以预见的是，丰富多彩的新领域将不断出现，但化简者会越来越少（不过他们将依然受到更多的关注）。

　　

　　图3-3 诺贝尔奖在1952-1981年和1982-2011年两个时间段中化简者与构造者的比例

　　诺贝尔化学奖从材料科学到生物化学，涉及的范围十分广泛。在早期，诺贝尔化学奖获得者的构成与物理学奖很相似。一些新的化学领域（例如研究组成橡胶和塑料的长链分子）早在19世纪就建立起来了，因此，化简者占尽先机。然而，化学向构造式科学的转变却比物理学更加缓慢，在过去30年里仅上升了三分之一多一点。想要理解个中原因，我们可以来看看生物化学。近年来热度有所上升的生物化学依然在研究生命微观机制的最基本原理。因此，第二波基本问题已经被提出，化简者们任重道远。

　　在生理学与医学领域，化简者更占优势。获奖者中有四分之三都是化简者。这个形势在过去60年中几乎没有任何改变。在这个领域，从细胞到人类疾病，有太多关于生命的谜题等待我们解开。基因组学和蛋白质组学开启了一系列亟待探索的新问题。

　　得到认可是需要时间的。一个关键性研究突破从发表到摘取诺贝尔奖平均需要等待15年左右，并且这个时间越来越漫长。目前，物理学的等待时间是25年，化学和医学的等待时间是20年。杰出的科学家与日俱增，他们排着队等待诺贝尔奖的认可；与此同时，各学科涉及的范围日益拓展，一个科学发现渗透到