大科学创新的进步模式及其启示

赵 煦，张 琰

（河海大学马克思主义学院，江苏 南京 210098）

目前，在自然科学领域，大科学已稳稳占据着科学研究的主导地位。但直到目前为止，对大科创新模式的研究还没有产生一个统一的理论，还没有系统概括出大科学创新的进步模式。因此，探究从传统科学创新模式到大科学创新模式的演变，对我们未来的大科学的布局有着特殊的意义。

1 从物理学标准模型理论到超对称理论

从建设到运行，共耗资500多亿美元，由来自全球80多个国家的约7000名科学家和工程师的参与，数十万台计算机联结到一起，位于地下 100米深的一个全长约26.659公里长的环形隧道，经过28年的建设才投入运行。这组令人吃惊的数据是对目前世界上规模最大、能量最高的粒子加速器，即欧洲大型强子对撞机（LHC）的真实描述。事实上，欧洲大型强子对撞机是当今大科学的一个典型。“所谓大科学研究，是指规模巨大、人数众多、投资庞大、并有相当大的社会影响的综合性的科学研究。”[1]具体什么是大科学，到目前为止，尚未有一个统一的认定标准，但有学者认为，项目总金额达到一亿美元以上的涉及多学科的综合研究，就可以被称为大科学研究。大概从19世纪下半叶开始，大科学便开始逐渐显现，到20世纪中叶，大科学渐趋成熟。二战以后，大科学就迅速发展，占据了科学前沿各研究领域的核心地位。

欧洲大型强子对撞机从设计到建设运行，一直肩负着一个重要使命，就是探寻希格斯玻色子的存在，以验证物理学标准模型理论的准确性。因为物理学标准模型理论是目前为微观粒子世界作出解释和说明的最为成功的理论，该理论认为构成世界的基本物质粒子共包含18种夸克、6种轻子、12种规范玻色子，另外每一种物质粒子都有自己所对应的反粒子（其中，规范玻色子本身就是自己的反粒子），因此，物理学标准模型理论主张，构成世界的基本粒子至少有62种。不过，直到20世纪90年代，物理学标准模型所预言的所有基本粒子，只剩下1种没有被发现，这种基本粒子就是希格斯玻色子。因此，希格斯玻色子是否存在，就成为验证物理学标准模型理论的一个至关重要的经验证据。正因为如此，探寻希格斯玻色子的踪迹，就成了21世纪物理学向前推进的一个重要前沿。

虽然，经历了诸多困难，终于在2012年7月，发现了希格斯玻色子的踪迹，并导致了2013年诺贝尔物理学奖的诞生，为物理学标准模型理论画上一个较为圆满的阶段性的句号。不过，科学有关世界的探索不会就此停止，人类关于世界的认识永远在路上。物理学标准模型理论在粒子物理学领域取得了令人瞩目的成绩，但却并未能解决所有问题。

因为超对称理论告诉我们，宇宙诞生时，“大爆炸”产生了数量相同的物质和反物质。但不知什么原因，少量物质幸存下来，形成了我们今天生活的世界，而反物质却消失得无影无踪。因此，探寻反物质、暗物质的存在，验证超对称理论正确与否，就必然下一阶段物理学前沿推进必然要面对的问题。

2 传统的科学进步模式及其问题

20世纪以后，科学知识的产生不再是缓慢的累积式的演进，而是以一种爆发式的速度在跳跃式增长，各门学科在高度综合的同时又高度分化，呈现出整体化的特征。[2]特别是进入到大科学时代以后，科学研究活动的特征发生了显著的变化，传统的科学进步模式已经不能为科学活动中出现的新现象、新问题提供合理的说明。

2.1 线性累积的逻辑分析

逻辑导向的科学进步观认为，科学的发展是一个累积进步的过程。从科学哲学史的历程看，逻辑导向的科学进步观又分为实证主义进步观和证伪主义进步观两个阶段。虽然在逻辑导向的科学进步观内部对科学进步也有着不同的主张，但其总体上都是认为科学理论是在不断朝着真理，或者是在不断逼近真理进步的。不过，科学发展如果只是科学知识的积累，而且只表现为单一的量的积累，科学研究的过程也只是简单的经验归纳，那就必然会忽视人类在科学发展过程中的创造性，也就会忽视质变的作用。[3]

与逻辑实证主义的证实原则一样，波普尔的证伪主义理论及其证伪原则也同样有着一定的片面性。波普尔认为，一个科学理论一旦被经验或逻辑证伪，就要抛弃这个理论。同时他指出，万事万物的发展都经历了从低级到高级的突变过程，进而结合他的“三个世界”理论，认为事物的发展从世界1突变到世界2，然后再突变到世界3。从表面上看，三个世界的突变过程似乎和大科学跳跃式进步是一样的，但从本质上看，波普尔的这种理论突变在逻辑上是连续的，是朝着一个固定不变的真理目标不断逼近的过程，而大科学发展的跳跃式进步是没有一个固定不变的目标的。因此，波普尔在本质上依然是一个逻辑主义者，他的这种线性的逻辑主义思想无法为大科学的进步提供一个令人信服的解释模式。

大科学项目的新目标与之前所完成的科学目标之间并不一定存在必然的逻辑演进关系，不同的阶段支撑大科学项目运行的所要研究的理论对象的地位都是平等的。大科学的进步表现为：在完成一项大科学研究后，又迅速转向另一个与它可能是毫不相干的大科学研究，在不同的理论之间实现跳跃式的发展。

2.2 库恩的科学革命进步模式

以库恩为代表的历史主义学派对科学的进步模式也进行了深入的研究，他们既否定了逻辑实证主义关于科学理论的线性累积的进步模式，也批评了批判理性主义对科学理论简单粗暴的否证，提出了一种动态研究科学进步的新模式。[4]库恩在他的《科学革命的结构》一书中指出，科学的进步是科学新范式战胜旧范式，新、旧范式更替的过程。他不同意波普尔的线性逻辑的科学进步模式，而是把科学发展分为几个阶段：前科学、常规科学、科学革命、新的常规科学……在进入常规科学以后，科学就不断经历常规科学和科学革命的交替发展的循环进步过程。

而大科学诞生以后的近百年科学史来看，大科学所开展的项目和研究并没有经过前科学—常规科学—科学革命—新的常规科学这样循环发展的现象，无论是大科学早期的典型代表——曼哈顿计划、阿波罗计划、国际空间站计划，[5]还是今天的欧洲大型强子对撞机实验。在大科学的发展过程中，科学一直保持着平稳的进步，没有产生关于大科学的科学革命，也没有关于大科学发展的新旧范式的转换。此外，库恩认为，因为整个科学的发展是非连续的，因此理性不是普遍的，科学的发展没有一定的客观规律和进步目标指向。同时，库恩认为，在不同历史时期，不同的文化拥有不同的世界观，并且不同时代的不同世界观反映的均是在自己的经验范围内所认识的世界的某一部分。库恩进而主张，每一种世界观都是正确的，但又都有片面性，都是相对存在的。[6]这样一来，库恩就陷入了非理性主义和相对主义之中。

3 大科学的跳跃式进步模式

从大科学发展的实际情况看，我们可以发现用逻辑实证主义的线性积累的逻辑分析方法，还是用库恩的科学革命的模式，都无法解释大科学发展的进步过程。以前文所述的欧洲大型强子对撞机在发现希格斯玻色子的前后的目标变化为例，从大型强子对撞机开始建设一直到希格斯玻色子被发现之间的这一阶段，寻找希格斯玻色子，验证物理学标准模型理论，是该大科学项目的主要目标，但希格斯玻色子一经发现，其阶段性任务完成了，该大科学项目就转向了新的目标——寻找反粒子、暗物质，验证超对称理论。

从大科学发展的具体过程中看，2012年希格斯玻色子的成功发现标志着一个大科学实验的完成。此后，无论是2015年我国的世界首颗暗物质探测卫星“悟空”号，还是2016年我国“墨子”号量子卫星的发射、2017年我国贵州“天眼”望远镜等，与欧洲大型强子对撞机之间都不存在必然的逻辑演进关系。上述大科学项目的开展意味着大科学的进步，并非逻辑实证主义者所主张的累积进步或逼近真理的过程。而且，上述所有大科学项目都是地位平等，平行发展的，而不是如逻辑实证主义主张的那样，旧理论被吸纳到一个具有更大范围，内容更加丰富的后继理论之中。同样，大科学的进步也并非像波普尔证伪主义所主张的科学进步的过程，就是科学理论不断被证伪的过程。

通过对比国内外开展的这些大科学工程，我们也没有发现如库恩所说的科学革命的发生，新旧范式的交替，甚至发现中微子具有质量是对标准模型的沉重打击的极大危机，但是也没有改变标准模型在粒子物理学中的地位，也并没有发生代替标准模型的科学革命。而且从这些先后开展的大科学项目来看，大科学的进步是跳跃的，是在一个大科学项目结束后选择另一个大科学项目，且前后两个大科学项目可能是毫不相干的，是跳跃式的向前发展。

通过逻辑实证主义和历史主义的科学进步模式与大科学所开展的一系列项目的比较研究，我们发现大科学的进步是非累积的，前后开展的大科学项目之间不存在必然的递进关系。大科学的进步是间断的，一项大科学项目结束后可能会转向另一个毫不相干的大科学目标，比如说上海的同步辐射光源和量子卫星计划之间是没有什么相关性的。大科学的进步是跳跃式前进的，大科学项目的开展会在问题的引导下，根据实际情况的需要而进行具体选择，大科学开展的前一个项目可能是在微观领域的大型强子对撞机实验，下一个项目就有可能跳跃到宇观大尺度空间关于引力波的探测研究。此，近期我国还开始独立开展了一批大科学计划。研究大科学的问题，借鉴国际上大科学计划的经验与得失，从中寻找启示，是我国大科学健康发展的必经之路。

4 大科学的进步模式的启示

近年来，我国科技投入不断增长，科研实力也不断提高。经过多年的努力，我国已有部分在国际领先的大科学项目崭露头角。目前正在建设之中的江门地下中微子实验（JUNO）可为代表。这一实验项目的规模将比大亚湾中微子实验大100多倍，计划运行至少20年，以揭示更多宇宙奥秘，理解微观的粒子物理规律，也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理做出重大贡献。[7]此外，位于我国四川的锦屏地下实验室从4000立方米扩容到12万立方米。锦屏隧洞最大埋深达2400米左右，实验室设立其中，就相当于将实验室设在地下2400多米深的地方，超过了加拿大的岩石覆盖厚度2000米的斯诺实验室，能将宇宙射线通量降到地面水平的约亿分之一。中国锦屏地下实验室二期工程将包括4组共8个实验室及其辅助设施，已于2015年年底完成土建工作，总容积将从目前的4000立方米扩容到12万立方米，能够容纳更多的深地科学领域实验项目同时开展，建成后将有望逐步发展成为国家级的面向世界开放的基础研究平台，是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域中的暗物质探测、双 衰变、中微子振荡、质子衰变等重大基础性前沿课题的重要研究场所，是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究所需的特殊环境，也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。[8]

21世纪以来，随着科学技术的迅速发展，不同学科的大科学项目的先后立项开展，国与国合作的大科学项目也越来越多，大科学在科学前沿推进中的作用已成为世界共识。发现和研究大科学的进步模式与小科学科学的本质区别，对于大科学的健康发展至关重要。从目前世界各国正在开展的大科学项目看，大科学的开展愈来愈需要发挥已有科学技术的横向支持，来促进其纵深发展，同时大科学项目的正常运行需要创新组织和管理模式。这就对不同领域不同学科的科学家们提出了要求，要看到这种区别，更要用新眼光和新思维去看待大科学的变化，设计新项目，提出新概念，探索新领域。

虽然目前大科学面临着种种问题，但正处于科技发展上升期的我国却必须全力融入国际大科学计划中，不仅如