azalea says

科学的未来

本文是Michael Nielsen The Future of Science一文的节译,很不忠实原文,只复述了大意。原文很有见地,博古通今,上知数学物理传奇,下晓wikipedia和friendfeed,而且文字读来很亲切,大家可以前去观光。不负责任的广告下,我觉得科学家和想做网站开发的人读过都会有所收获。 Michael Nielsen是量子计算领域的大牛,他写的《量子计算和量子信息》是物理界过去25年引用次数最多的著作。目前他离职专心创作同名书《The Future of Science》。

创建更好的共同记忆

中学时大家可能都学过胡克定律,即弹簧伸长和受力关系的定律。但是物理老师可能没讲的是,当胡克1776年发现这一定律时,竟然是用密文“ceiiinossssttuv”发表的。两年后,他才公布了明文“ut tensio, sic vis”, (虽然这拉丁语的明文看着也像密文 –azalea),意思是“伸长随外力改变”。胡克这样做保证了即使有人后来做出同样的发现,他也可以通过密文证明自己先行一步,而且为自己率先做出进一步的发现争得了时间。

在胡克的时代,很多著名科学家都这么做。到底是牛顿还是莱布尼茨发明了微积分的争议,也源自牛顿声称自己早在十七世纪六七十年代就发明了微积分,只是1693年才发表,而莱布尼茨在此期间独立发明并发表了微积分。

为啥胡克牛顿那个时代的人行事如此隐秘?当时的炼金术士经常把自己的发现带到坟墓里。在当时的社会里,把发现公之于众对自己没有任何好处,把发现当做秘密的文化现象也就不难理解了。

胡克牛顿时代的许多科学发现促使政府等有钱的赞助者开始资助科学研究,因为科学发现经常会改善人民生活水平,而如果科学发现能够共享,则会带来更多的改善。时至今日,这种科学文化使科学家们通过分享科学发现来获得工作和声誉。

这种文化改变使得胡克牛顿时代的一个世纪后,著名物理学家Michael Faraday告诫年轻同事说:“工作。完成。发表。”现在,如果某项科学研究没有发表,就不算是完整的研究。发表文章列表是申请教职的重要参考。当1662年胡克申请皇家学会的实验教员职位时,他根本不需要提供发表文章的记录,因为,3年之后的1665年,第一份科学杂志才诞生。

科学杂志系统的采用和发展给人类文明提供了共享的知识载体,长期的共同记忆和人类发展的基础。现在互联网的发展提供了发展这一长期共同记忆和建立对话性的短期工作记忆的机会。科学发现的过程将会在未来20年见证比过去300年还多的改变。

没有努力,这种改变将不会达到。在外界看来,科学家对使用在线工具的缓慢接受实在不可思议。下面我们将讨论这是源自科学文化深处的一些阻碍的结果。本文的第一部分将讨论这些阻碍以及克服的方法。本文的第二部分将详述这些方法,并提出建立在线合作市场的建议,使科学家可以快速的交流科学问题。

第一部分:迈向更开放的科学文化 科学如何受益于互联网?

互联网怎样改变科学研究的方式?可以从两个角度回答。第一,在线工具可以扩展世界共享的科学知识的范围:

两个成功的例子是:物理学杂志预印本在线分享网站physics preprint arXiv和生物学在线数据库GenBank。更多的在线工具定位比较窄,虽然它们可能有更广阔的应用,比如:实验视频分享网站 Journal of Visualized Experiments 和科学家工作笔记分享网站 open notebook science。在不久的将来,更多这类在线工具将会出现,用来分享各种类型的知识:

思考互联网如何改变科学的另一个角度是,通过社会媒体如wiki,论坛等改变创新合作的方式和程度。

在科学界以外,互联网改变文化的例子有很多[1]。比如,1991年,无名的芬兰学生Linus Torvalds在论坛上发表了一篇短文,为扩展他业余时间开发的“玩具”操作系统寻求帮助; 在志愿者的回应下,Linux诞生了。2001年,无名的Larry Sanger发表了一篇短文,为建立在线百科全书寻求帮助; 在志愿者的帮助下,维基百科诞生了。1999年,著名国际象棋大师Garry Kasparov与“世界队”进行了象棋大战,最终获胜,他对手的每一步棋都是上千人投票选出来的。这局棋被他称为“国际象棋史上最伟大的对局”。

以上故事并非特例,而是自文字发表以来创新活动的最伟大的改变。

科学是创新合作的绝佳例子,但是科学合作仍然通过面对面交流的方式开展。除了电子邮件,科学家几乎不使用新的社交工具,虽然这些新工具可能极大的改变科学研究的方式。

为啥科学家不愿使用这些好工具?是他们太保守,还是新工具不如老的好?都不是。下面两个例子将会解开这个疑问。

科学在线的失败例子:在线评论网站

像许多人一样,当我想买一本书或电子产品,我首先会看亚马逊的用户评论(我看豆瓣的 –azalea)。受到亚马逊这类网站的启发,科学家分享对论文看法的评论网站应运而生。最著名也也许是《自然》杂志2006年的公开评论试验,用户可以对投到《自然》的正在被审阅的论文进行评论。这个试验失败了。《自然》在终止试验的报告里说:

大家对公开审阅表达了浓厚的兴趣。。。只有勉强过半的参与论文收到了评论,虽然浏览量很大,但是评论很少。大多数评论并不很科学。反馈结果显示,研究人员不愿提出公开评论。

《自然》这次试验仅仅是许多建立科学评论网站的尝试之一。笔者所知最早的网站是建于1997年关闭于1998年的Quick Reviews。几年之后Physics Comments创立但于2006年关闭。最近的Science Advisor仍在运营,但它的成员数(1139)比评论数(1008)还多。人们貌似更喜欢读而不是写科学论文的评论[2]。

问题源自人们没有动力写这样的评论,虽然评论对其他科学家有益。写评论还不如做“更有意义”的事,比如写论文或申请基金。而且,如果你公开批评某人的论文,有可能这个人将是你下次论文或基金申请的匿名审稿人。

科学在线的失败例子:维基百科

维基百科是科学家与在线创作擦肩而过的另一例子。维基百科有句温暖人心的梦想宣言:“想像这样一个世界,每个人都可以自由分享所有知识的综合。这是我们的使命。” 也许你以为维基百科是由梦想着汇聚全人类知识的科学家创建的。其实它的创始人Jimmy Wales来自金融领域并且是网络开发者,而非科学家。维基百科早期几乎没有科学家参与,似乎这样做是浪费时间。

有人也许会反对说,维基百科不是真正的科学。当然,如果你狭隘的认为科学就是在科学杂志上发表论文。但是如果你相信广义的科学是发现世界运转的原理并与所有人分享,那么没有科学家参与的维基百科的早期建设就是科学失去的一个机会。现在,维基百科的成功给了科学家参与的正当理由,但是,现代的亚力山大图书馆竟然来自学术界之外,这多么奇怪啊。

挑战:达到科学开放的极致

在线科学网站的失败源于科学家不愿分享对他人有益的知识。这真是讽刺,因为正是早期科学家认识到开放的价值,才建立了现代科学体系。确实,在17世纪,学术杂志也许是最开放的传播知识的系统。但现在这个系统正在阻止更有效的系统被采用。

我们希望达到开放的极致,即:开放除科学论文外更多类型的内容; 通过更开放的协议和社区规范,允许对已有工作进行创造性的重用和修改; 使所有信息不仅能供人类阅读还能供机器阅读; 提供开放API,便于提供基于科学文献的附加服务甚至多层级更强大的服务。

流行文化也受到了要求开放的挑战。 Richard Stallman, Lawrence Lessig, Yochai Benkler, Cory Doctorow和很多其他人描述了开放对于网络世界的益处,并且提出了 Creative Commons 协议和 自由开源软件 来促进开放文化,并与反对力量抗争。而我们已经看到,科学面对着独特的反对开放文化的力量──传承几个世纪的分享知识的方式──需要新的理解和方法来克服这些力量。

怎样促使科学文化更开放?

为建立一个接受新的在线工具的科学文化,需要完成两个挑战性任务:(1)创造出色的在线工具; (2)改变文化,使之能接受这些工具。两者同样必要,但许多在线科学项目只专注于创造工具,而把改变文化置诸脑后。这是不对的。第一份科学科学杂志(一个工具)只花了几年就从无到有,而文化转变到接受科学论文发表作为评价科学贡献的金科玉律却花了上百年。

怎么改变文化呢?有两种策略取得过成功,可以作为未来成功的模板:

一是由上而下策略,在开放获取(OA)运动中取得了成功[3]。OA运动的目的是使每个人都能免费在线获取科学研究成果。这是个鼓舞人心的目标,而且OA运动取得了惊人的成果。最瞩目的是,2008年4月,美国国家卫生研究院(NIH)强制要求 他们资助的项目发表的每篇文章最终都必需能开放获取。NIH是世界最大的基金会; 这一决定相当于攻占了科学界的巴士底狱。

二是由下而上策略。这是要求开发出衡量在线贡献的方法。比如某部门要决定是否雇用一个科学家。他的简历上写着他为开源科学wiki做过贡献,并且写博客。遗憾的是,部门委员会没办法衡量这些贡献的重要性,因为目前还没有公认的衡量标准。于是这些贡献通常都被低估了。

成功故事:arXiv 和 SPIRES

一个现实中由下而上策略的例子是 physics preprint arXiv 。从1991年开始,科学家就把论文上传到这里,通常是他们投稿到传统杂志的同时。这些论文很快就能被其他人看到。现在半数的物理学家都会先把论文提交到这里。许多物理学家早上第一件事就是查看arXiv有哪些新文章。于是,arXiv是达到开放科学文化第一步的例子:一个出色的在线工具。

arXiv建立后不久,一个引用跟踪服务 SPIRES 决定共同使用arXiv论文和传统杂志的文章。SPIRES专注于粒子物理,因此现在可以搜索一个离子物理学家的名字 (例子), 就可以看到他的论文和arXiv预印论文被引用的频率。

SPIRES 在1974年由著名的粒子物理实验室──斯坦福线性加速器中心 (SLAC) 建立。SLAC在开发SPIRES上的努力使得他们的引用影响测量既值得信赖又在离子物理学界广泛使用。现在一个粒子物理学家如果仅仅把论文提交到arXiv,而非传统杂志,也可以证明自己的工作具有很大影响。当雇用委员会面试应聘的粒子物理学家时,通常都会拿着笔记本电脑查询和比较应聘者在SPIRES的引用纪录。

arXiv 和 SPIRES 没有影响粒子物理学家在杂志上发表文章。当你申请职位或竞聘终身教授时,每一克的弹药都有用,尤其是评估委员会可能有来自其他领域对SPIRES不怎么信服的人时。然而,粒子物理学家越来越对发表文章不那么严肃了,很可能一份简历会包括还没发表的arXiv论文预印本。这是一个文化变革来自从下而上策略的例子。在下面的部分,我们将讨论,这些想法能在开发促进交流的新工具上走多远。

第二部分:合作市场:建立科学界的共同工作记忆

合作的问题

再牛如爱因斯坦,偶尔也需要一些帮助。爱因斯坦对科学的最大贡献是广义相对论。在1907至1915年间,他时断时续地研究这个理论,经常会遇到很大的困难。到1912年,他得到了一个惊人的结论,我们通常对几何学的概念,比如三角形所有角度数之和是180度,仅仅是近似正确的,需要一种新的几何学来精确描述空间和时间。这对爱因斯坦是个很大的意外,也是很大的挑战,因为他对这种新的几何思想并不了解。幸运的是,他向他的好友,数学家Marcel Grossman讲述了他的困难。 Grossman说爱因斯坦需要的很多思想已经由数学家Bernhard Riemann总结了。爱因斯坦继续工作了三年便完成了广义相对论,Grossman帮了很大的忙,因为这是狭义相对论理论发展的关键点。

任何科学家都遇到过爱因斯坦的难题。研究中总会遇到未知领域的问题。没人能称为万事通。于是,大多数人摸索着前进,逐步学习克服困难完成目标需要的技术,而以后遇到擅长解决的问题,就暗自庆幸。我们都有合作者来讨论问题和想法,但很多时候我们的合作者也不能帮忙。他们也许能指出正确的方向,但他们很难有我们需要的技术。有没有可能把这种对话模式放大,建立成在线合作市场[4]来交流问题和想法,在某种意义上,是科学界的共同工作记忆?

不能接受这个想法很正常,但是有一个极具创造性的文化已经显示这样的合作市场是可行的──自由开源软件。科学家如果第一次浏览开源软件项目的开发论坛,通常会吃惊于讨论的高度。他们也许以为讨论的是K歌吧的休闲时光,而实际上,专业程序员交流问题和想法,并认真和建设性地解决他人的问题。程序员揭示并交换问题,而不像科学家们隐藏自己的问题和想法,怕被别人抢去。许多世界顶级程序员长期泡在论坛里,交换技巧,解答问题,参与讨论。

Innocentive

下面我来介绍两个例子,他们说明科学合作市场也许是有价值的。一是 Innocentive,一项让大公司如礼来( Eli Lilly )和(Proctor and Gamble)在互联网上发布挑战问题的服务。挑战问题通常是科学研究问题,对解决方法通常会提供数千美元的奖励。比如,Innocentive目前的一个挑战问题是要求参与者找到运动神经元病的生物标记,奖金是一百万美元。175个国家的140,000人注册了,超过100个挑战问题的奖金已经颁发

Innocentive 是建立科学问题和解决方法市场的例子。当然,它作为基础研究的合作模型是有缺点的。仅有一小部分公司可以发布挑战问题,而且发布之前要经过很长的审查。Innocentive的商业模型是面向工业界而非科学研究界的,因此推动力在于金钱和知识产权,而不是声誉和引用。而且它显然不是个论坛般的快速对话工具; 你不会一醒来脑子里有个问题就发布到Innocentive, 希望能获得快速的解答。(想起了百度知道 –azalea)

FriendFeed

FriendFeed 是个更灵活的工具,被科学家用来讨论科学研究问题。FriendFeed 允许用户建立所谓的生活流 (lifestream)。比如,我的生活流 自动聚合了基本上我网上的所有东东,包括博文,del.icio.us链接, YouTube视频, 以及其他内容 (图略 –azalea)。

我也订阅了大约一百个“好友”,我可以把他们的生活流汇聚成一条巨大的信息河流──他们的Flickr照片,博文等。这些人未必我真正的朋友──我并不认识我的“好友” Barack Obama ──但这是追踪一大群人一大堆活动的极好的方法。

作为生活流的组成部分,FriendFeed允许信息简便快捷的来回传播,因此围绕共同兴趣可以形成社区,分享友谊。2008年4月, 南安普顿大学的化学家 Cameron Neylon 用FriendFeed消息发表了题为 request for assistance 的关于建立分子模型的问题。很快 Pawel Szczesny 回复说他可以帮忙。科学合作就这样展开了。原文和讨论在此:

FriendFeed 是项好服务,但是它也受到影响其他评论网站如维基百科的那些问题的影响。由于没有衡量贡献的方法,科学家很难重度使用 FriendFeed作为科学合作的媒介。而且,如果没有广泛的用户,使用FriendFeed来进行科学合作仍难以普及。

合作经济学

当前合作系统的低效导致了多少损失?为了回答这个问题,请想像一个科学家张三。张三研究中遇到了她没想到的问题。她遇到了成百上千的问题,她知道大多数时候自己并不是解决这些问题的最好人选。 假设某个问题,张三估计自己要花4到5周学习相关技术才能解决。问题已经火烧眉毛,4到5周太久了。张三不知道的是,世界的另一边有个科学家李四,他能在一天内解决张三的问题。这很可能发生,想想Grossmann的例子,他一句建议节省了爱因斯坦可能花上几年的额外工作。

张三和李四能交换问题和想法然后着手解决问题么?很不幸,九成他们一辈子也遇不到,或者遇到了,他们只是随便聊聊。他们失去了互惠贸易的机会,这个损失也许会给张三增加数周的工作量。这也是社会的损失,因为社会一年为科学花费数十亿美元。专家的注意是科学界最稀缺的资源,但是在现存的合作方式下被低效的利用着。

有效的合作市场能使张三和李四找到共同兴趣并交流经验,如同 eBay 和 craigslist 使用户能交换物品和服务。 然而,为了使合作成为可能,需要共同信任。没有信任的话,张三不会向整个社区发布她的问题。搭便车的人为自己谋取利益(并损害张三利益)的风险太高了。

科学界对这样的情形已经习以为常。那么我们来和买鞋这个看似风马牛不相及的问题做一比较。张三拿着钱走进鞋店,她想买鞋而不想留着钱,但是卖鞋的李四想要钱不想要鞋。于是李四交鞋张三交钱,大家都开心的走了。这个迅速的交易能够发生是因为信任基础的存在和法律的保障。

如果鞋店像科学家交换思想一样,首先张三和李四要认识对方,也许要在附近酒吧一起喝几次酒。终于,张三说:“嘿,我想搞些鞋。”沉默,然后几杯酒下肚,李四说: “我说那个啥, 我刚好有几双鞋想卖掉”。每个科学家都熟悉这种情形; 我认识一些科学家,交流科学信息比卖房子更使他们紧张。

经济学早已告诉我们,当降低贸易壁垒时,财富才能增加,如果有信任基础和法律保障并且贸易是自愿的话。这个在1817年由 David Ricardo 提出的理论指出,我们要专注于有比较优势的领域,避免有比较劣势的领域。

虽然 Ricardo 的工作是经济学领域,他的分析在思想交换上仍然有效。确实,即使张三比李四更有竞争力,Ricardo的分析显示 如果张三专注于自己有比较优势的领域,而李四专注于自己不太有劣势的领域,张三和李四都能从中获益。不幸的是,科学界现在缺乏这种自由交流问题和思想的信任基础和动力。

理想的合作市场将使这种问题和思想的交流成为可能。它将规范贡献的衡量方法,使参与者能证明自己工作的影响力。贡献会被存档、纪录时间并签名,因此何人何时说过什么都一目了然。 通过与高效的过滤和搜索相结合,一个开放的相互信任的文化将产生,科学家会乐于外包问题,并在自己的优势领域做出贡献。这将会改变科学。

脚注

[1] Clay Shirky’的 “Here Comes Everybody”是一本极好的书,充满了对合作新途径的兴趣。

[2] 整合在线评论和其他创造性特点的一个试验是PLoS ONE 。现在判断它的评论成功与否还为时过早。

[3] 我强烈推荐Peter Suber的 Open Access News ,这是关于开放获取所有方面的极好资源。

[4] Shirley WuCameron Neylon 写了很有启发的博文,讨论了关于合作市场的想法。

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