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20世紀60年代，社會學家羅伯特·默頓手動收集了1600-1950年間科學史中的多重發(fā)現(xiàn)案例，并據(jù)此得出結(jié)論：“當知識和工具在人類的文化儲備中積累起來，當相當多的研究人員的注意力集中在一個問題上時，或新興的社會需求，或由于科學內(nèi)部的發(fā)展，或者兩者兼而有之，發(fā)現(xiàn)幾乎是不可避免的”。70年代，社會學者西蒙頓（Simonton）花費了數(shù)十年，手動收集了1434例多重發(fā)現(xiàn)的案例。多重發(fā)現(xiàn)模式在科學史中占據(jù)主導，但由于案例主要依賴手工收集而長期受質(zhì)疑。2025年匹茲堡大學助理教授吳令飛及其團隊在一項基于4000萬篇論文[1]的研究證明：科學突破的本質(zhì)不是天才的靈光一現(xiàn)，而是知識土壤成熟后的必然產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：多重發(fā)現(xiàn)模式，數(shù)據(jù)驅(qū)動，顛覆性指數(shù)（D-index）

郭瑞東丨作者

張江丨審校

牛頓與萊布尼茨的微積分之爭、達爾文與華萊士的進化論競速，科學史中充滿“獨立同時發(fā)現(xiàn)”的戲劇性事件。匹茲堡大學助理教授吳令飛及其團隊在一項基于4000萬篇論文[1]的研究證明：科學突破的本質(zhì)不是天才的靈光一現(xiàn)，而是知識土壤成熟后的必然產(chǎn)物。

多重發(fā)現(xiàn)為何難敵孤獨天才的敘事傳統(tǒng)

20世紀60年代，社會學家羅伯特·默頓（Robert K. Merton）收集了1600年到1950年的264個科學史中，在相近的時間窗口，多位科學家?guī)缀跬瑫r做出相同科學發(fā)現(xiàn)的案例[2]（之后簡稱多重發(fā)現(xiàn)案例）。據(jù)此指出當知識積累到臨界點，科學突破便會“破土而出”，與個人天賦無關(guān)。默頓相關(guān)論述的原文如下：

“科學史記錄了數(shù)千個由科學家相互獨立工作而做出的類似發(fā)現(xiàn)的實例。 有時，發(fā)現(xiàn)是同時出現(xiàn)；有時，科學家會重新發(fā)現(xiàn)一項他不知道，而其他人在多年前就已經(jīng)做出的發(fā)現(xiàn)。這些事件表明，當先決條件的知識和工具在人類的文化儲備中積累起來，當相當多的研究人員的注意力集中在一個問題上時，或新興的社會需求，或由于科學內(nèi)部的發(fā)展，或者兩者兼而有之，發(fā)現(xiàn)幾乎是不可避免的?！?/p>

這一觀念，與根深蒂固的“孤獨天才”敘事矛盾，畢竟大眾心里最知名的科學家形象是諸如愛因斯坦這樣，面壁十年無人知，直到一篇論文發(fā)表，最終改變世界的孤獨天才。

默頓提出的多重發(fā)現(xiàn)模式在科學史中占據(jù)主導，但長期面臨質(zhì)疑：主要原因在于歷史案例依賴手工收集。上世紀70年代，美國社會學者西蒙頓（Simonton）花費了數(shù)十年，手動收集了1434例上述獨立發(fā)現(xiàn)的案例，這已是目前已知最大的多重發(fā)現(xiàn)案例庫。然而相比歷史中浩如煙海的發(fā)現(xiàn)，一千多例多重發(fā)現(xiàn)的案例數(shù)量，還是缺少代表性，因此難以具備足夠的說服力。

大數(shù)據(jù)研究如何論證科學研究屬于多重發(fā)現(xiàn)

然而如今隨著科學學的成熟，研究者可以用海量數(shù)據(jù)，結(jié)合量化指標來替代人工整理案例集。吳令飛團隊的這項研究，基于微軟學術(shù)圖譜（MAG）的4000萬篇1900-2020年的各學科論文，還整合歷史數(shù)據(jù)集（如前述默頓整理的案例庫）、專項數(shù)據(jù)庫（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)庫PDB）和諾獎得主論文。

收集完數(shù)據(jù)后，大數(shù)據(jù)研究的第二步是對數(shù)據(jù)進行過濾和清洗。我們討論的問題是能夠上新聞的科學發(fā)現(xiàn)，因此需要一個指標，從那4000萬篇論文中選取出真正改變世界的一小部分。為了評估論文的顛覆程度，研究者創(chuàng)立了名為D-index（替換系數(shù)）的指標，根據(jù)論文引用關(guān)系，計算焦點論文對其最高引參考文獻的“替代強度”。替代強度越高，說明該文對整個領(lǐng)域的影響越大，成為后人不得不關(guān)注的巨人。例如“愛迪生發(fā)明的電燈（焦點論文）不是憑空創(chuàng)造光，而是讓蠟燭（之前最高引參考文獻）退出歷史舞臺”。

圖1：D-index示例圖，右圖的研究（藍點）D-index最高，意味著該研究出現(xiàn)后，其它的研究都需要引用該研究，成為了領(lǐng)域中繞不過的基石

通過使用D-index衡量每項研究的顛覆性程度，能夠全面地篩選出顛覆性研究，從而避免了人為篩選數(shù)據(jù)庫所帶來的數(shù)據(jù)稀疏和個人偏見，并能考察各個學科的中的顛覆式發(fā)現(xiàn)之間存在的共性。

接下來要做的是用數(shù)據(jù)去驗證假設(shè)，計算機難以像人類這樣，去梳理兩個發(fā)現(xiàn)是不是由兩組科學家在互不知情的情況下發(fā)現(xiàn)的。但研究者可以提出一個待驗證的假設(shè)，并通過算法來檢驗這一假設(shè)。

而回想大學概率統(tǒng)計課上講到的，泊松分布正是用來描述在固定時間或空間內(nèi)，獨立隨機事件發(fā)生次數(shù)的概率分布（圖2中的虛線），其特點是事件之間是沒有記憶的，事件A的發(fā)生不會影響事件B。而若是兩個事件之間相互影響，那事件的間隔就會更接近冪律分布。泊松分布的典型案例是原子核衰變放出的高能射線，而冪律分布的典型是地震后連續(xù)出現(xiàn)的余震震級。

按照孤獨天才的敘事邏輯，每一個顛覆式發(fā)現(xiàn)都是相互獨立的事件，因此顛覆式創(chuàng)新之間的時間間隔會符合泊松分布，而若是符合默頓提出的多重發(fā)現(xiàn)，那么就會接近冪律分布。

而實際中，無論是默頓、西蒙頓手工整理的科學突破案例集，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)庫PDB，還是根據(jù)D-index從4000萬篇論文選取D-index排名前2%，再經(jīng)過Llama大模型識別出的624個多重發(fā)現(xiàn)案例，兩個科研突破的間隔時間，都接近冪律分布，如圖2所示。

圖2：不同數(shù)據(jù)集中科學突破的時間間隔符合冪律分布

研究者還考察了諾獎得主的獲獎論文，以及MAG數(shù)據(jù)庫中4000萬篇D-index最高的top2%研究，這些研究的平均D-index是0.21，相比之下，諾獎得主的研究平均的D-index是0.1。去除了引用數(shù)小于100的研究后，剩余12564篇，這些研究之間的間隔，同樣符合冪律分布。這些證據(jù)說明科學突破之間不是獨立而是相關(guān)的。

科學研究要遵循人民史觀

在歷史學中，人民史觀和英雄史觀的對比，反映到科學史中，就是究竟是孤獨天才還是多重發(fā)現(xiàn)。如果我們認為歷史的推動者和創(chuàng)造者是廣大普通的人民大眾，而不是王侯將相。那么我們在面對科學研究時，也應當一以貫之，堅信科學發(fā)現(xiàn)雖遲必到。只要先決條件到了，就從不會缺席，就拿DNA的發(fā)現(xiàn)舉例，克拉克和沃森如果沒有發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)，那么榮譽就會落到女科學家羅莎琳德·富蘭克林頭上。

人民史觀下，每一個普通的研究者都有著自己不可取代的價值。盡管大多數(shù)科研人員的工作并不是能夠上頭條改變教科書的，但通過諸如收集數(shù)據(jù)，改進觀測方法等，也在為最終科學突破的出現(xiàn)提供源頭活水。他們的努力雖然沒有走到聚光燈下，但依然不該被人忽視。我們應認識到科研突破的關(guān)鍵不是選出一兩個天才少年，而是培養(yǎng)出能適合天才誕生的土壤。這土壤包括促使科研論文公開原始數(shù)據(jù)，促進科研論文的方便獲取，以及在當下使用大模型來對科研數(shù)據(jù)進行高效檢索等。正是這些一點一滴的積累，讓眾多研究者能有更多的機會去站在巨人的肩膀上做出突破式發(fā)現(xiàn)。

認識到科學突破的必然性，未來科學史的書寫，應當是被視為“知識生態(tài)系統(tǒng)的涌現(xiàn)”，而非“英雄列傳”。科學突破的必然性也不意味著被動等待，科學生態(tài)系統(tǒng)中的資金、基礎(chǔ)設(shè)施和合作仍然至關(guān)重要?？茖W知識的普及和公眾參與將會擴大科學發(fā)展的養(yǎng)料庫，故而需要通過科普打破知識壟斷，讓更多人參與科學決策和技術(shù)創(chuàng)新?？茖W突破像等待降落的雨滴——云層蓄滿時雨水必至，但哪滴最先落地，則由風向來決定。我們構(gòu)建的科研生態(tài)，正是那陣風。不是為了確保突破的發(fā)生，而是為了塑造它們發(fā)生的方式和時間。

參考文獻

[1] Li, Linzhuo, Yiling Lin, and Lingfei Wu. "Is Science Inevitable?." arXiv preprint arXiv:2502.06190 (2025).

[2] Merton, R. K. Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science. Proc. Am. Philos. Soc. 105, 470–486 (1961).

作者：郭瑞東 審核：張江 北京師范大學系統(tǒng)科學學院教授 出品：中國科協(xié)科普部 監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

面向未來的科學學讀書會

科學是研究實踐、是理性精神，也是一個由學者、文獻、科研項目、科學思想與靈感等一起構(gòu)成的自組織、自生長的復雜系統(tǒng)?？茖W學這門學科，旨在深入理解科學研究的種種因素并推動科學發(fā)展?？茖W的迅猛發(fā)展在積累科學知識的同時，也遭遇諸多社會、倫理、政策問題：開放科學的范式如何影響科學研究的實踐？階層、性別、種族、國家等視角如何揭示科學不平等的起源？期刊編輯和審稿人如何塑造當今的科學活動？科學人口結(jié)構(gòu)、人才激勵、科技人才流動如何影響科學發(fā)展？AI大模型如何重塑科學研究的各個環(huán)節(jié)？

為了思考和回應科學的多元化挑戰(zhàn)、科學開放性面臨的危機，以及新興技術(shù)對科學的沖擊，集智俱樂部聯(lián)合美國匹茲堡大學博士后崔浩川、東南大學副研究員孫燁、田納西大學信息學院助理教授李愷、紐約大學阿布扎比分校博士研究生劉逢源、南京大學地理與海洋科學學院研究員古恒宇，共同發(fā)起，這是繼「復雜系統(tǒng)下的科學學讀書會」之后的新一季科學學讀書會。讀書會已完結(jié)，現(xiàn)在報名可加入社群并解鎖回放視頻權(quán)限。

詳情請見：

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