科學是人類認識自然的事業，科學知識是關于自然現象的有條理的知識。科學探索是對于描述自然現象的各種概念之間的關系的理性研究。人類對自然的關注與探索并不是一開始就是科學的，而是經歷了漫長的歷史逐漸發展到科學這一形式的，譬如從交感巫術，到迷信神靈、信仰宗教，然后才有科學，是從非理性逐步發展到理性的。科學自身的發展，從早期古代科學發展到近代科學也是經歷了漫長曲折的歷史的，對人類社會的影響是人們很難察覺的。
但是近代以來，科學的發展速度則是劇烈的，歷史上空前的，對人類社會的影響十分巨大，給人們一種它們在不斷加速“進步”，同時也驅動人類社會不斷加速“進步”的深刻印象。近代以來科學的這種“進步”是通過科學革命的方式進行的。
一、科學是通過革命的方式“進步”的
關于科學革命的研究，最有影響的當屬托馬斯?庫恩和伯納德?科恩。在人類科學探索歷史的大部分時間中，科學探索一般遵循特定的科學范式，比如特定的一組信念，可能包括公理假設、定理體系、儀器設備、思維模式以及研究方法等等。今天，如果你不遵循一種科學范式，你就無法開展科學研究，不能成為科學家，即便你開展探索也不是科學探索。只有在同一種范式下，科學家們才能交流，科學才有可能是科學共同體的事業，科學進步才有標準可參照。同時，特定的科學范式也會束縛科學家們的思維和視野，科學家們只能在范式劃定的范圍探索自然，除非該范式對新的自然現象的解釋能力越來越不適應，威信遭到越來越多的質疑，即發生了范式危機，科學家們才會有另辟蹊徑尋找新的科學范式的動力和機會。
科學革命，就是一種新的科學范式顛覆或替代舊的科學范式。科學革命的過程，是新的科學范式從某一學科誕生，并向其他所有學科領域傳播擴散并驅逐舊科學范式的過程，從而發展成為一種普遍的新科學范式，科學就“進步”了。
二、世界處于第二次科學革命的過程中
過去400年，共發生過兩次這樣大的科學革命。第一次科學革命發生在16—18世紀，以哥白尼天文學革命為開端，以牛頓和伽利略為代表的經典力學體系的建立為標志。牛頓和伽利略的科學范式替代了托勒密和亞里斯多德的科學范式。第二次科學革命發生在20世紀初期，以愛因斯坦的相對論和眾多科學家發展出的量子力學的誕生為標志。相對論和量子力學的科學范式替代了牛頓和伽利略的科學范式。
科學發展歷史表明，科學是從自然哲學中分離出來的，而早期的自然哲學基本類似物理學，因此最初分離出來的被視為物理學，而化學、地質學等其它學科被認為是從物理學中分離出來的，故物理學一般被人們認為是“母科學”。一些社會科學也認物理學為“母”,模仿物理學的范式，譬如經濟學。因此，物理學發生的范式革命的影響最有可能是規模最大、面積最廣的。雖然生物學、化學等其它學科也有過可以看作是本學科領域范圍的范式革命，例如拉瓦錫的化學革命、達爾文的進化論革命等，但都只能算是“小革命”，沒有演變為廣泛傳播的、對所有科學知識生產范式產生顛覆式影響的“大革命”。總之，過去兩次大的科學革命都是源于物理學。
當前，世界科學研究前沿仍然處于相對論和量子力學的范式統治下。我們的教科書還是在傳播這個范式中的知識，研究生仍然是在接受掌握這個范式的訓練，有關引力波、黑洞的研究還是在驗證相對論的假設，量子力學仍然是熱點，多元宇宙、暗物質、暗能量更像是對現有范式的修補完善，弦理論還在繼承愛因斯坦未竟的難題。我們現在處于第二次科學革命的過程中。
三、本輪科學革命的科學發現高峰期已過
科學革命的過程，是新范式創立和擴散傳播的過程，是一種系統演化非線性過程。它似乎遵循從報酬遞增到報酬遞減的演化周期，報酬指應用新范式重新解釋自然現象或獲得新的科學發現的數量與速度。新范式創立初期，面對的大多數科學家是在舊范式下成長起來的，質疑的聲音多，擴散傳播阻力大;隨著越來越多年輕科學家的到來，傳播速度加快，報酬遞增加速;當各個學科的科學家都蜂擁學習采用新的科學范式時，傳播速度和報酬遞增將進入拐點，進入傳播速度降低和報酬遞減階段，直至最后傳播達到最大邊界和報酬接近于零。
本輪科學革命經過100多年的挖掘拓展，似乎已經越過了拐點(可能在20世紀后半葉)，進入報酬遞減期。現有范式下未開發的科學知識空間日漸枯竭，容易摘的“果子”幾乎沒有，大的科學發現日益稀少。純基礎研究投入產出邊際收益極低，一些前沿研究方向，不論是微觀宇觀，機會成本巨大，投入巨額資金可能就是驗證一個假設或者什么也得不到。科學前沿步入離科學回報越來越遠的領域。近百年來，物理學家們孜孜不倦地追求發現統一理論，至今無進展。粒子物理學的標準模型預言的62種粒子，只剩下希格斯波色子尚待發現。
四、應用科學競爭激烈
科學日益功利化。由于科學研究沿原有路徑繼續延伸越來越難以取得進展，越來越多的科學家轉向交叉學科、邊緣學科或應用學科，以獲得更高的邊際報酬。早在20世紀中葉這種潮流就開始了，正如維納那時指出的，在科學發展上可以得到最大收獲的領域是科學的邊緣區域。維納的控制論正是處于邊緣區域。然而這只是現有范式下知識體系的補充完善工作，是范式進一步向科學研究周圍和下游拓展的必然結果。越來越多的科學家將科學研究的重心向下游應用端移動，應用科學研究活躍、競爭激烈。例如，量子力學競爭前沿是量子通信、量子計算;生命科學走向精確化、可再造和可調控;信息科學成為眾多領域創新的基礎平臺和核心引擎;生物技術在農業、醫藥、環境和工業等領域廣泛應用;腦科學與數理、信息等學科結合，正在催生腦-機交互技術等等。我們似乎看到從基礎研究、應用研究、技術開發到產業化的周期日益縮短、邊界日趨模糊，許多成果尚處于實驗室階段時就已申請專利并很快應用于市場，這實際上是一種“錯覺”，因為很多所謂的基礎研究已經不是以前意義上的純基礎研究了，而是應用導向的更下游的研究。
諾貝爾獎越來越像應用科學獎或技術科學獎。劉則淵(2019)通過計量分析認為，21世紀以來的諾貝爾獎屬于技術科學性質者：物理、化學和醫學分別占4成、6成和7成;日本得獎屬于技術科學性質者占8成(參見表1)。這些成就都是20世紀取得的，說明那個時候這種重心下移已經很顯著了。也許將來哪一天會發現諾貝爾獎演變成為重大技術發明獎了。
表1 2000—2019年諾貝爾獎得主擁有發明專利者的成就為技術科學，來源：中華民族的科技強國夢——愿景·挑戰·策略，劉則淵(2019)。
由于科學研究活動越來越接近人們的日常生活，通過技術前景和技術產業化的加速帶給社會顯著影響，從這個意義上，人們感覺科學發展日益迅猛。
五、新的科學革命未見端倪
19世紀末，科學的境遇與今天似乎相似，當時牛頓范式下的可研究的問題基本枯竭了，除了以太等極少數問題外，科學家似乎無事可做，但應用科學繁榮，技術發明不斷產生，電氣化工業革命迅猛。然而科學界茫然的時間沒有持續多久，緊接著20世紀初就發生了相對論和量子力學的科學范式革命。今天，是否意味著一次新的科學革命即將到來呢?人們還沒有看到任何基于科學實踐的證據。
以上所做對當今世界科學革命趨勢分析判斷的嘗試，意在激發科技政策智庫的同行們對今天應該采取什么樣的投資科學的策略進行討論。
胡志堅(中國科學技術發展戰略研究院)/文，首發刊載于《科技中國》雜志2019年12月第12期 智庫。
