Nature：论文与专利越来越多，但颠覆性成果却越来越少

天使798

发现与发明被认为是科学理论和技术变革的自然副产物，它们能让之前积累的知识推动未来的发展与进步。科学技术新知识的数量在最近几十年里呈指数级增长，但研究显示，多个主要领域的进展正在减慢。
尽管上个世纪见证了科学和技术知识的空前扩展，但人们担心创新活动正在放缓。研究显示半导体、制药和其他领域的研究生产率下降与先前的工作相比，论文、专利甚至授权申请变得不那么新颖，也不太可能将不同的知识领域联系起来，这两者都是创新的先驱。发现年份和诺贝尔奖颁发之间的差距也有所增加，表明今天的贡献与过去不符。这些趋势引起了政策制定者越来越多的关注，因为它们对经济增长、人类健康和福祉以及国家安全构成了重大威胁，同时全球努力应对气候变化等重大挑战。
近日，美国明尼苏达大学和亚利桑那大学的研究人员在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为“Papers and patents are becoming less disruptive over time ”的研究论文。研究团队分析了过去60年里的4500万篇论文和390万个专利，结果发现，无论哪个领域，论文与专利的突破性都在随时间流逝而下降。


为了研究这些假设，研究人员利用名为CD指数（CD index）的工具分析了Web of Science （WoS）中的2500万篇论文（1945-2010）和美国专利商标局（USPTO）专利视图数据库中的390万项专利（1976-2010）来解决这些理解差距，测度论文和专利如何改变了科学和技术的引用网络。


研究者分析了科学技术变革的基础理论，共分为两类突破：一种是能提升现有知识流的贡献，这类贡献能改善现状；另一种是能颠覆现有知识的贡献，这类贡献能淘汰旧的知识，引导科学技术向新的方向发展。
研究者发现，无论哪类学科，发现与发明的突破性都在下降：论文方面，1945年至2010年的下降幅度从91.9%到100%；专利方面，1980年至2010年的下降幅度从78.7%到91.5%。
自1980年左右以来，“生命科学和生物医学”和物理科学的下降速度较为温和，社会科学和“技术”的下降速度最为明显和持久。然而，总体而言，与早期时代相比，最近的论文和专利在推动科学和技术走向新方向方面的作用较小。



颠覆性科学技术正在衰落

研究者还通过分析替代指标重复了以上发现，这些替代指标包括论文中的文字多样性，以及使用突破类词汇与改善类词汇的对比。研究者还对另外2000万篇论文开展了一项分析，以重复了他们的发现。


这些模式表明，随着时间的推移，科学和技术发生了实质性的转变，发现和发明在本质上变得不那么具有突破性，这与我们使用CD指数的结果一致。
研究者记录的总体趋势掩盖了单个论文和专利的突破性的相当大的异质性，以及高度突破性作品绝对数量的显着稳定性。具体来说，尽管科学生产力大幅提高，但CD的论文和专利数量分布最右尾的值随着时间的推移几乎保持不变。这种对高度突破性论文和专利绝对数量的“保护”仍然存在，尽管负责产生这些作品的基础领域发生了相当大的变动。这些结果表明，重大突破的持续存在——例如，测量重力波和COVID-19疫苗——与减缓创新活动并不矛盾。简而言之，总体突破性的下降并不排除个别高度突破性的作品。



高度突破性工作的记录：随着时间的推移，论文和专利的破坏性越来越小

突破性活动率的下降不太可能是由科学和技术质量下降引起的。但是，当研究者将样本限制在Nature、Science 和 PNAS等主要出版场所发表的文章或诺贝尔奖获奖发现时，下降趋势持续存在。因此，研究者认为，这种下降不太可能是由已发表工作的质量或是引用政策的变化而导致的。他们认为，科学家和发明家近几十年来一直在依赖一套较为狭窄的现有知识体系。


图中特别标注了几项不同时期、不同学科的突破性成果：1928年狄拉克发现相对论量子理论的狄拉克方程；1953年沃森和克里克发现DNA的双螺旋结构；1965年Kohn和Sham发明了一种计算电子结构的新方法；1977年桑格发明了一种DNA测序方法；1980年Katsuki和Sharpless发展了不对称环氧化反应；1985年Saiki等人发现了聚合酶链式反应（PCR）；1986年Bednorz和Mülle发现陶瓷材料的超导性；1998年Riess等人发现宇宙正在加速膨胀。
总之，该研究报告了随着时间的推移，颠覆性科学和技术的显着下降。分析表明，这种趋势不太可能是由引用实践或已发表作品质量的变化所驱动的。相反，这种下降代表了科学和技术的实质性转变，加剧了对创新活动放缓的担忧。研究者将这一趋势部分归因于科学家和发明家对较窄的现有知识的依赖。尽管科学哲学家们可能是正确的，即知识的增长是一个内生的过程——其中积累的理解促进了未来的发现和发明——但参与广泛的现存知识对于这个过程是必要的，随着时间的推移，这一要求似乎更加困难。依靠较窄的知识切片有利于个人职业生涯，但不是更普遍的科学进步。
此外，尽管颠覆性作品的流行率有所下降，但研究者发现绝对数量保持稳定。一方面，这一结果可能表明，高度颠覆性的科学和技术具有固定的“承载能力”，在这种情况下，旨在增加此类工作的政策干预可能具有挑战性。另一方面，研究者对负责产生颠覆性科学和技术的基础领域的大量流失的观察表明，诸如资助者和科学家的兴趣转移以及科学和技术知识对突破的“成熟度”等因素的潜在重要性，在这种情况下，突破性工作的产生可能会对政策杠杆做出反应。无论哪种情况，我们在大量颠覆性论文和专利中观察到的稳定性表明，科学和技术似乎还没有达到“无尽的前沿”的尽头。颠覆性工作有助于科学和技术进步的定期改道仍有空间。
总而言之，研究者表示，该研究结果加深了对知识演变的理解，并可能指导职业规划和科学政策。为了促进颠覆性科学和技术，可以鼓励学者广泛阅读，并给予时间跟上快速扩展的知识前沿。高校可能会放弃对数量的关注，而更强烈地奖励研究质量，也许更充分地补贴为期一年的休假。政府可能会投资于风险更高、更长期的个人奖项，以支持职业，而不仅仅是特定项目，为学者们提供时间的礼物，让他们走出争斗，从出版或灭亡文化中免疫，并产生真正重要的工作。更充分地了解颠覆性科学和技术的衰落，可以重新思考未来组织科学和技术生产的战略。