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从美国高等研究院的两篇科学散文思考基础科学的重要性及发展方式

已有 4466 次阅读 2017-5-11 14:24 |系统分类:观点评述| study, for, institute, Advanced, 高等研究院

       美国高等研究院(The Institute for Advanced Study, IAS)是爱因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)、冯•诺依曼(John von Neumann, 1903-1957)、哥德尔(Kurt Gödel, 1906-1978)等众多学术大师供职过的单位,由于位于普林斯顿市,也经常被称为普林斯顿高等研究院(并不隶属于普林斯顿大学)。这个神奇的研究机构的倡导者和创建者是弗莱克斯纳(Abraham Flexner, 1866-1959),他本人并不从事具体的科学研究,而是一位杰出的教育家,他推动了美国和加拿大的高等教育在20世纪所进行的改革。

       在1939年,弗莱克斯纳曾经以“The usefulness of useless knowledge”为题在美国的哈珀杂志(Harper's Magazine,创刊于1850年,是美国持续发行时间仅次于《科学美国人》的杂志)发表了一篇科学散文(https://harpers.org/archive/1939/10/the-usefulness-of-useless-knowledge/)。2017年2月,这篇散文以图书的形式再度发表(http://press.princeton.edu/titles/10924.html),书中同时还包括配发的另一篇相关散文,由高等研究院从事弦理论研究的数学物理学家Robbert Dijkgraaf撰写。由于只包括了两篇散文,书只有104页长、幅面不到32开,但是高等研究院对于这本书的出版宣传力度很大,https://www.ias.edu/about/usefulness-useless-knowledge。弗莱克斯纳的散文虽然十分经典,但是为什么会在时隔78年之后再度被发表,也许有两个方面的原因,一个是温故而知新,另一个是对于美国当前科研经费的局面表达担忧。Dijkgraaf教授在书的第19页最后一段中说:

       Consequently, success rates in grant applications for basic research are plummeting across all disciplines, particularly for early-career researchers. Life scientists can now expect their first National Institutes of Health grants only in their mid-forties. Apart from discouraging the next generation of talented scholars, this lack of opportunities has led to a much more outcome-driven approach to funding, with granting institutions less willing to place risky long bets. The growing culture of public accountability puts pressure on the margins of error, eliminating downside but also upside risk. The “metrics” used to assess the quality and impact of research proposals—even in the absence of a broadly accepted framework for such measurements—systematically undercut pathbreaking scholarship in favor of more predictable goal directed research.

       说回到弗莱克斯纳当年的散文,其实经济学家邹恒甫教授曾经翻译过其中的一些重要段落,http://blog.sina.com.cn/s/blog_a1fdc38b0102v0n4.html。这里出于缩减阅读篇幅的考虑,在邹恒甫教授节译的基础上进一步精简和修改,希望以最少的文字传递弗莱克斯纳的核心观点:

--------------------------------------------------节译开始

       从实践的角度来看,智力与精神生活在表面上是一种无用型活动。......在本文中,我将探讨对于这些无用型活动(满足)的追求程度问题,这种追求往往能意外地得到梦想不到的有用效果。......人们不断地重复说:我们的时代是一个物质主义时代。在这个物质主义时代,人们更关注物质利益的广泛分配和世俗机会,因此使不断增多的学子离开他们父辈所从事的研究而转向同样重要的和紧迫的社会问题、经济问题和政府部门问题的研究。我与这种倾向并无争议。......现在我有时纳闷,这种物质主义倾向会不会太强了,......或者换句话说,我们对于“有用之物”的认识是否已变得太狭隘,以致于无法为人类精神自由随性的徜徉提供足够的可能性空间。

       ......对无线电领域所做的一切,真正的功劳应归于麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)教授而不是马可尼(Guglielmo Marconi, 1874-1937)。麦克斯韦于1865年对电场与磁场进行了一些深奥的预言式的计算,并在1873年出版的一部专著中再次列出了他的抽象方程。......在其后的 15年间,其他的发现补充了麦克斯韦的理论工作,最后在1887和1888年,无线电信号的载体电磁波的检测与显示,最终由在柏林亥姆霍兹实验室工作的赫兹(Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894)解决了。无论是麦克斯韦还是赫兹都没有想到他们的研究工作的效用,他们的研究都没有实际目标。法律意义上的发明家自然是马可尼,但是他真正发明的是接收信号的检波器。麦克斯韦和赫兹无用的理论工作被一位聪明的技术人员抓住,于是为通讯、公共事业和娱乐创造了新的用品。在整个科学史中,最终被证实有益于人类的大多数真正的伟大发现,并不是由实用愿望所推动的,而是由满足好奇的愿望所推动的。好奇心也许能或也许不能最终产生某种有用之物,这种好奇心大概就是现代思维的突出特征。好奇心不是什么新东西,它可以追溯到伽利略、培根和牛顿时代。好奇心完全不该被阻碍,学术机构应该致力于培养好奇心,学术机构因考虑立竿见影的应用而发生偏移越少,他们对人类福利和满足智力兴趣的贡献会越大。

       如果说到一项最有实际应用价值和深远意义的发现,我们会同意那就是电。是谁做出了一百多年来在整个电力发展以之为基础的基本发现呢?回答是有趣的。法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)的父亲是一位铁匠,法拉第本人原先跟一位图书馆装订工当学徒。在1812年,他已经21岁时,一位朋友把他带到英国皇家研究院,在那里他听了戴维爵士(Sir Humphrey Davy, 1778-1829)四次关于化学的讲座。1813年他成为戴维的实验室助理,研究化学问题。但法拉第的兴趣很快由化学转向电和磁,以其充满活力的余生献身于电磁。此前奥斯特(Hans Christian Ørsted, 1777-1851)、安培(André-Marie Ampère, 1775-1836)和渥拉斯顿(William Hyde Wollaston, 1766-1828)已完成了这个领域的一些疑难而又重要的研究工作,法拉第解决了他们留下的难题,并于1841年成功地完成了电磁感应实验。四年后,他在事业上开辟了第二个光辉时代,他发现了偏振光上的磁效应。但是无论在他那无可比拟的事业的任何时期,他都不对实用感到兴趣。从来没有一个准则可以作为他不停实验的依据,实用上的任何怀疑都会限制他那无休止的好奇心。最终,却产生了实用效果。

       ......概率的计算是由那些对博奕理论充满兴趣的数学家做出的。这些数学家并没有实用的目的,但是它为所有类型的保险提供了一种科学基础。十九世纪物理学的广大领域也以其为基础。

       我们来看看另一个方面,医学和生领域。在瓦尔代尔(Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz, 1836-1921)教授的《回忆录》中,他讲了这样一件事情。在随同他去斯特拉斯堡大学的学生中,有一个小个头、沉默寡言、不显眼的17岁男孩,名叫埃尔利奇(Paul Ehrlich, 1854-1915)。那时的解剖课包括解剖和组织的显微镜检查,但埃尔利奇并不太重视解剖。《回忆录》中作了如下描述:我很早就注意到埃尔利奇往往伏案工作很长时间,全神贯注于显微镜观察,而且在他的办公桌上逐渐盖满了一些带有各种说明的彩色斑点。有一天我问他桌子上那些彩虹似的彩色阵列是什么,这个在第一个学期应该学习常规解剖课的年轻学生抬起头来看着我,和蔼地说:“Ich probiere” 。这可译为“我在试验”或“我正在干傻事”。我对他说:“很好,继续干傻事吧。”虽然我不去教他,也不去指导他,但我很快发现,我拥有了埃尔利奇这样一个素质非凡的学生。埃尔利奇通过医学课程走自己的路,最后获得了学位。......我不认为埃尔利奇头脑中曾闪动过实用的念头。他是一个有心人,他干傻事是由一种深深的本能所推动,那是一种纯科学的而不是一种实用的动力。结果如何?......埃尔利奇的实验那时由一位研究生应用于给细菌染色,因而有助于鉴别。埃尔利奇自己则创立了血液膜染色法。我们关于白血球、红血球形态的现代知识就是以此为基础的。现在全世界成千上万的医院里,埃尔利奇的技术每天都用于化验血液。因此,在斯特拉斯堡瓦尔代尔解剖室里显然无目的的行为已成为今天医学实验的重要方面。

       我从不认为在实验室进行的每项实验都将最终转向某种意料之外的实用,或最终实用是其出发点正确的证明。我更赞同废除“实用”这个词,并赞同解放人类精神。可以肯定,我们将因此浪费一些宝贵的钱财。......我不是在批评有用性动机占统治地位的像理工学院或法律学院那样的学术机构。工业上或实验室里遇到的实际困难有时会刺激理论探索,理论探索也许可能、也许不可能解决向其提出的问题,理论探索还可能开辟新的领域。理论探索暂时也许是无用的,但孕育着未来的实用成果和理论成果。

       ......同时,有一点必须注意,即谨防把科学发现完全归功于某一个人。几乎每项发现都有长期而坎坷的历史,有人在这里发现一点,另一个人在那里发现一点,第三个人继续向前,直至一位天才把这些拼在一起并作出决定性的贡献,发现才算成功。科学像密西西比河,开始来自遥远森林的小河,众多的小河汇合增大了水量,最终形成了这个能冲破堤坝的咆哮的河流。

--------------------------------------------------节译结束

       通过阅读弗莱克斯纳先生的文章,我有这样一些体会。他无疑是在强调基础科学的重要性和前瞻性,他所创建的高等研究院的辉煌也证明了他的思想的正确性,但是正如他本人所说,他并不否认应用性研究的重要性和有用性,他只是想说明基础科学的有用性(不是每一项具体基础研究的有用性)。基础科学研究是一种探索性劳动,是以人类的理性和智慧去面对所有没有很好被认识的问题,因此必然是向比应用性研究更多的方向和维度进行的。一方面,所有应用性研究的大发展都离不开相应的基础科学理论支撑;另一方面,每项具体的应用性研究大都有明确的目标和可期的成果,相比之下,基础研究则有时显得更像是思想的漫游,很难说某些基础研究成果什么时候会变得非常有用,甚至很难说某些研究会不会一定最终有用。此外,基础科学的有用性,除了为应用研究提供理论支撑,还有一些是理性、智慧,或者精神、文化方面的,例如纯数学、博物学等方面的某些研究。(在生物学中,其实有很多起始于不起眼的生物类群、但是揭示了非常重要的科学意义的研究,可以参考http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1292052&do=blog&id=976290。)

       从有用性的角度来看,基础研究和应用研究之间的关系,有些类似于远期发展和近期生存之间的关系。基础科学的“奢侈品”属性,其实目前也是被很多基础科学的从业者所认可的,人类社会或者一个国家,如果物质丰富的程度没有积累到一定水平,是没有办法支撑很多短期内没有明显实用价值的研究的。但是另一方面,人无远虑、必有近忧,如果没有足够多以原始好奇心为出发点、后来被证明具有前瞻性的基础研究成果作为基础,现实发展的瓶颈也很难被在短时间内有效克服。能进步多快看应用,但是能进步多远恐怕要看基础。当人类社会或一个国家在经济、物质水平向好的情况下,给予基础研究更高的重视程度是明智的,这将为未来的成长带来更为广阔的可能性空间;如果物质水平增长放缓甚至停滞、退步,那么更重视短期的生存也是自然的,无可厚非。

       在强调“不能因为短期内看似无用而忽视基础科学的重要性”的观点之外,弗莱克斯纳还提示“谨防把科学发现完全归功于某一个人”,而是应该把学术大师的贡献看作科学进步过程中对于一些重要的节点的推动作用。这令人不由得联想到另外一篇科学散文“Birds and Frogs”,作者是戴森(Freeman Dyson, 1923-),同样来自高等研究院,是一位数学物理学家,他证明了施温格和朝永振一郎发展的变分法方法和费曼的路径积分法的等价性,为量子电动力学的建立做出了决定性的贡献。文章原载于2009年第56卷第2期的Notices of the American Mathematical Society(http://www.ams.org/notices/200902/rtx090200212p.pdf),中文译文可以参考科学网的链接(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=51886&do=blog&id=482704)。

       在文章开篇的第一段,戴森说:“有些数学家是鸟,其他的则是青蛙。鸟翱翔在高高的天空,俯瞰延伸至遥远地平线的广袤的数学远景。他们喜欢那些统一我们思想、并将不同领域的诸多问题整合起来的概念。青蛙生活在天空下的泥地里,只看到周围生长的花儿。他们乐于探索特定问题的细节,一次只解决一个问题。我碰巧是一只青蛙,但我的许多最好朋友都是鸟。......数学既需要鸟也需要青蛙。数学丰富又美丽,因为鸟赋予它辽阔壮观的远景,青蛙则澄清了它错综复杂的细节。数学既是伟大的艺术,也是重要的科学,因为它将普遍的概念与深邃的结构融合在一起。如果声称鸟比青蛙更好,因为它们看得更遥远,或者青蛙比鸟更好,因为它们更加深刻,那么这些都是愚蠢的见解。数学的世界既辽阔又深刻,我们需要鸟们和青蛙们协同努力来探索。”

       在这不长的一段叙述中,我们可以看到一位真正的学术大师的谦逊、胸怀和视野,这多少有些“全世界的数学家联合起来”的感觉。每个学科方向都有其意义,每个学科方向都有可能形成对于自身或其它学科的关键推动。这样的认识,如果推广到更大范围内的基础科学研究,甚至于推广到包含应用和基础研究在内的广义科学的范畴,也同样应该是成立的。

       从上述两则散文中能够得到启发的、收获的肯定不止这些,在此仅浅谈一点个人体会,与朋友们分享。



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