科学是人类认识自然的事业，科学知识是关于自然现象的有条理的知识。科学探索是对于描述自然现象的各种概念之间的关系的理性研究。人类对自然的关注与探索并不是一开始就是科学的，而是经历了漫长的历史逐渐发展到科学这一形式的，譬如从交感巫术，到迷信神灵、信仰宗教，然后才有科学，是从非理性逐步发展到理性的。科学自身的发展，从早期古代科学发展到近代科学也是经历了漫长曲折的历史的，对人类社会的影响是人们很难察觉的。
但是近代以来，科学的发展速度则是剧烈的，历史上空前的，对人类社会的影响十分巨大，给人们一种它们在不断加速“进步”，同时也驱动人类社会不断加速“进步”的深刻印象。近代以来科学的这种“进步”是通过科学革命的方式进行的。
一、科学是通过革命的方式“进步”的
关于科学革命的研究，最有影响的当属托马斯•库恩和伯纳德•科恩。在人类科学探索历史的大部分时间中，科学探索一般遵循特定的科学范式，比如特定的一组信念，可能包括公理假设、定理体系、仪器设备、思维模式以及研究方法等等。今天，如果你不遵循一种科学范式，你就无法开展科学研究，不能成为科学家，即便你开展探索也不是科学探索。只有在同一种范式下，科学家们才能交流，科学才有可能是科学共同体的事业，科学进步才有标准可参照。同时，特定的科学范式也会束缚科学家们的思维和视野，科学家们只能在范式划定的范围探索自然，除非该范式对新的自然现象的解释能力越来越不适应，威信遭到越来越多的质疑，即发生了范式危机，科学家们才会有另辟蹊径寻找新的科学范式的动力和机会。
科学革命，就是一种新的科学范式颠覆或替代旧的科学范式。科学革命的过程，是新的科学范式从某一学科诞生，并向其他所有学科领域传播扩散并驱逐旧科学范式的过程，从而发展成为一种普遍的新科学范式，科学就“进步”了。
二、世界处于第二次科学革命的过程中
过去400年，共发生过两次这样大的科学革命。第一次科学革命发生在16—18世纪，以哥白尼天文学革命为开端，以牛顿和伽利略为代表的经典力学体系的建立为标志。牛顿和伽利略的科学范式替代了托勒密和亚里斯多德的科学范式。第二次科学革命发生在20世纪初期，以爱因斯坦的相对论和众多科学家发展出的量子力学的诞生为标志。相对论和量子力学的科学范式替代了牛顿和伽利略的科学范式。
科学发展历史表明，科学是从自然哲学中分离出来的，而早期的自然哲学基本类似物理学，因此最初分离出来的被视为物理学，而化学、地质学等其它学科被认为是从物理学中分离出来的，故物理学一般被人们认为是“母科学”。一些社会科学也认物理学为“母”,模仿物理学的范式，譬如经济学。因此，物理学发生的范式革命的影响最有可能是规模最大、面积最广的。虽然生物学、化学等其它学科也有过可以看作是本学科领域范围的范式革命，例如拉瓦锡的化学革命、达尔文的进化论革命等，但都只能算是“小革命”，没有演变为广泛传播的、对所有科学知识生产范式产生颠覆式影响的“大革命”。总之，过去两次大的科学革命都是源于物理学。
当前，世界科学研究前沿仍然处于相对论和量子力学的范式统治下。我们的教科书还是在传播这个范式中的知识，研究生仍然是在接受掌握这个范式的训练，有关引力波、黑洞的研究还是在验证相对论的假设，量子力学仍然是热点，多元宇宙、暗物质、暗能量更像是对现有范式的修补完善，弦理论还在继承爱因斯坦未竟的难题。我们现在处于第二次科学革命的过程中。
三、本轮科学革命的科学发现高峰期已过
科学革命的过程，是新范式创立和扩散传播的过程，是一种系统演化非线性过程。它似乎遵循从报酬递增到报酬递减的演化周期，报酬指应用新范式重新解释自然现象或获得新的科学发现的数量与速度。新范式创立初期，面对的大多数科学家是在旧范式下成长起来的，质疑的声音多，扩散传播阻力大;随着越来越多年轻科学家的到来，传播速度加快，报酬递增加速;当各个学科的科学家都蜂拥学习采用新的科学范式时，传播速度和报酬递增将进入拐点，进入传播速度降低和报酬递减阶段，直至最后传播达到最大边界和报酬接近于零。
本轮科学革命经过100多年的挖掘拓展，似乎已经越过了拐点(可能在20世纪后半叶)，进入报酬递减期。现有范式下未开发的科学知识空间日渐枯竭，容易摘的“果子”几乎没有，大的科学发现日益稀少。纯基础研究投入产出边际收益极低，一些前沿研究方向，不论是微观宇观，机会成本巨大，投入巨额资金可能就是验证一个假设或者什么也得不到。科学前沿步入离科学回报越来越远的领域。近百年来，物理学家们孜孜不倦地追求发现统一理论，至今无进展。粒子物理学的标准模型预言的62种粒子，只剩下希格斯波色子尚待发现。
四、应用科学竞争激烈
科学日益功利化。由于科学研究沿原有路径继续延伸越来越难以取得进展，越来越多的科学家转向交叉学科、边缘学科或应用学科，以获得更高的边际报酬。早在20世纪中叶这种潮流就开始了，正如维纳那时指出的，在科学发展上可以得到最大收获的领域是科学的边缘区域。维纳的控制论正是处于边缘区域。然而这只是现有范式下知识体系的补充完善工作，是范式进一步向科学研究周围和下游拓展的必然结果。越来越多的科学家将科学研究的重心向下游应用端移动，应用科学研究活跃、竞争激烈。例如，量子力学竞争前沿是量子通信、量子计算;生命科学走向精确化、可再造和可调控;信息科学成为众多领域创新的基础平台和核心引擎;生物技术在农业、医药、环境和工业等领域广泛应用;脑科学与数理、信息等学科结合，正在催生脑-机交互技术等等。我们似乎看到从基础研究、应用研究、技术开发到产业化的周期日益缩短、边界日趋模糊，许多成果尚处于实验室阶段时就已申请专利并很快应用于市场，这实际上是一种“错觉”，因为很多所谓的基础研究已经不是以前意义上的纯基础研究了，而是应用导向的更下游的研究。
诺贝尔奖越来越像应用科学奖或技术科学奖。刘则渊(2019)通过计量分析认为，21世纪以来的诺贝尔奖属于技术科学性质者：物理、化学和医学分别占4成、6成和7成;日本得奖属于技术科学性质者占8成(参见表1)。这些成就都是20世纪取得的，说明那个时候这种重心下移已经很显著了。也许将来哪一天会发现诺贝尔奖演变成为重大技术发明奖了。
表1 2000—2019年诺贝尔奖得主拥有发明专利者的成就为技术科学，来源：中华民族的科技强国梦——愿景·挑战·策略，刘则渊(2019)。
由于科学研究活动越来越接近人们的日常生活，通过技术前景和技术产业化的加速带给社会显著影响，从这个意义上，人们感觉科学发展日益迅猛。
五、新的科学革命未见端倪
19世纪末，科学的境遇与今天似乎相似，当时牛顿范式下的可研究的问题基本枯竭了，除了以太等极少数问题外，科学家似乎无事可做，但应用科学繁荣，技术发明不断产生，电气化工业革命迅猛。然而科学界茫然的时间没有持续多久，紧接着20世纪初就发生了相对论和量子力学的科学范式革命。今天，是否意味着一次新的科学革命即将到来呢?人们还没有看到任何基于科学实践的证据。
以上所做对当今世界科学革命趋势分析判断的尝试，意在激发科技政策智库的同行们对今天应该采取什么样的投资科学的策略进行讨论。
胡志坚(中国科学技术发展战略研究院)/文，首发刊载于《科技中国》杂志2019年12月第12期 智库。
