諾貝爾人工智能獎(jiǎng)，或許不用等太久時(shí)間

匈牙利和中國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，諾貝爾獎(jiǎng)由于僅授予生理學(xué)或醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域，擴(kuò)大了科研結(jié)構(gòu)化偏差?，F(xiàn)如今科研跨學(xué)科融合趨勢(shì)增強(qiáng)，尤其是AI、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等領(lǐng)域出現(xiàn)高影響力研究。他們呼吁設(shè)置新的獎(jiǎng)勵(lì)制度，只認(rèn)可最好的研究，而非將研究結(jié)果歸為某個(gè)具體的學(xué)科。

諾貝爾獎(jiǎng)該不該授予AI領(lǐng)域？

如今的諾獎(jiǎng)研究都涉及了多個(gè)學(xué)科，越來(lái)越難單獨(dú)歸為某一個(gè)領(lǐng)域的成果，Nature子刊最近發(fā)文，提出來(lái)諾獎(jiǎng)需要跨學(xué)科授獎(jiǎng)，像AI這樣領(lǐng)域的成果也應(yīng)該被授予諾獎(jiǎng)。

就拿去年NASA宣布發(fā)現(xiàn)“第二個(gè)太陽(yáng)系”的重磅新聞來(lái)說(shuō)，谷歌AI在其中扮演了至關(guān)重要的角色。NASA的研究人員使用谷歌的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，分析開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，效率和精度都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的分析方法。據(jù)此，NASA認(rèn)為谷歌的AI技術(shù)將有助于天文學(xué)家在太陽(yáng)系外探測(cè)外星生命跡象。

要是讓你給這個(gè)發(fā)現(xiàn)頒個(gè)獎(jiǎng)，你會(huì)把它算作天文學(xué)的獎(jiǎng)還是人工智能領(lǐng)域的獎(jiǎng)？

出于類似的疑問(wèn)和好奇，匈牙利布達(dá)佩斯中歐大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)科學(xué)系的Michael Szell、Roberta Sinatra，以及中國(guó)北京數(shù)學(xué)、信息學(xué)與行為語(yǔ)義學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Yifang Ma合作[注]，調(diào)查了湯森路透 Web of Science 近十年來(lái)被引次數(shù)最高的前1萬(wàn)篇論文，絕大部分獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)、物理及化學(xué)獎(jiǎng)的研究，都能在這1萬(wàn)篇論文里面找到。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生命科學(xué)和化學(xué)的交叉研究，以及物理和化學(xué)的交叉研究，都有顯著比例被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。例如，2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的以色列科學(xué)家 Dan Shechtman，要知道 Shechtman 的研究論文最初是發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的。

這樣單獨(dú)分學(xué)科授予獎(jiǎng)項(xiàng)，也在擴(kuò)大科研結(jié)構(gòu)化偏差方面造成意外的后果。Michael Szell等人的調(diào)查作為觀點(diǎn)評(píng)論（Perspective），發(fā)表在了最新一期的《自然-物理學(xué)》上。

Michael Szell 等人還有一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)：在這1萬(wàn)篇論文中，影響力最高的220篇，有很多都來(lái)跨學(xué)科研究，尤其是新興的人工智能（16篇）、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)（18篇）、信號(hào)處理（11篇）。

不僅如此，關(guān)于量子力學(xué)的一些論文，影響力非常之高（被引次數(shù)很多），但相關(guān)研究還尚未獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

1895年，因發(fā)明硝酸甘油***而獲得巨大財(cái)富的瑞典化學(xué)家諾貝爾立下遺囑，用遺產(chǎn)成立基金會(huì)，將基金所產(chǎn)生的利息作為獎(jiǎng)金，分別獎(jiǎng)勵(lì)那些在物理、化學(xué)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)、文學(xué)，以及維護(hù)和平這五個(gè)方面做出杰出貢獻(xiàn)的人。

100多年前的諾貝爾，或許無(wú)法想到現(xiàn)如今的跨學(xué)科研究以及學(xué)科融合，但歷經(jīng)百年已經(jīng)成為科學(xué)界“最著名獎(jiǎng)項(xiàng)”的諾貝爾獎(jiǎng)，是該正視當(dāng)前科研現(xiàn)狀，還是堅(jiān)守傳統(tǒng)，但代價(jià)卻是Michael Szell等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)的那樣，在擴(kuò)大結(jié)構(gòu)偏差方面可能產(chǎn)生意外的后果呢？

大部分諾獎(jiǎng)研究，對(duì)本學(xué)科外領(lǐng)域幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)

20世紀(jì)80年代初，丹·謝赫特曼（Dan Shechtman）發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，一種介于晶體和非晶體之間、有規(guī)則但非周期的固體。這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的巨大興奮，27年后，Shechtman終于獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

然而，盡管準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)是發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，并對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了最大的影響，他獲得的卻是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

事實(shí)上，Shechtman獲得諾貝爾獎(jiǎng)的那篇論文已經(jīng)被引用了3000多次，52%的引用論文發(fā)表在物理期刊上，27%發(fā)表在工程領(lǐng)域的期刊，只有10%發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域期刊（見(jiàn)圖1a）。

這是否意味著Shechtman的發(fā)現(xiàn)被化學(xué)領(lǐng)域低估了？答案是否定的：對(duì)1984年后發(fā)表的化學(xué)文獻(xiàn)總量進(jìn)行歸一化統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，化學(xué)領(lǐng)域引用這一成果的論文數(shù)量實(shí)際上比預(yù)期的略高。然而，同樣進(jìn)行歸一化統(tǒng)計(jì)后，這一成果對(duì)物理學(xué)和工程學(xué)的影響約為化學(xué)的6倍和2倍。

Shechtman的論文是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了一個(gè)跨學(xué)科的發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)多個(gè)學(xué)科產(chǎn)生巨大的影響。

由于晶體學(xué)處于物理學(xué)和化學(xué)的邊界，Shechtman的跨學(xué)科影響并不令人驚訝。然而，這讓我們不禁產(chǎn)生疑惑：Shechtman獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)是否異常，偏離了諾貝爾獎(jiǎng)應(yīng)該頒發(fā)給產(chǎn)生它的學(xué)科的預(yù)期？

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們分析了108篇諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐牡目鐚W(xué)科影響，并參考了所有引用這些獲獎(jiǎng)?wù)撐牡?9305篇文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)來(lái)自湯森路透科學(xué)網(wǎng)。這些獲得諾貝爾獎(jiǎng)的論文包括25篇生理學(xué)/醫(yī)學(xué)論文(2006-2017)、43篇化學(xué)論文(1998-2017)和40篇物理學(xué)論文(1995-2017)，涵蓋了自諾貝爾委員會(huì)開(kāi)始提供詳細(xì)解釋和參考文獻(xiàn)以來(lái)的所有論文。

我們發(fā)現(xiàn)，其中60項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)除了它們所授予的領(lǐng)域之外，幾乎沒(méi)有引起人們的興趣。例如，Schwarz等人1985年發(fā)表的一篇關(guān)于人類乳頭瘤病毒在癌癥中的作用的論文在2008年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。引用這篇論文的1134篇文獻(xiàn)中，只有41篇來(lái)自生命科學(xué)以外的領(lǐng)域（見(jiàn)圖1b）。

我們發(fā)現(xiàn)其中有35項(xiàng)跨學(xué)科的發(fā)現(xiàn)，即在獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域和在其他領(lǐng)域都有重大影響的論文。

剩下的13篇諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐亩急皇谟柚Z貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但它們?cè)诨瘜W(xué)領(lǐng)域的影響有限。最典型的例子是Dixon 等人1986年發(fā)表的關(guān)于細(xì)胞受體的論文，該論文獲得了2012年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，它的984次引用中有832次來(lái)自生命科學(xué)類期刊；只有17篇來(lái)自化學(xué)期刊（見(jiàn)圖1c）。

圖1：諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)科/跨學(xué)科的影響。

Shechtman 1984年發(fā)表了一篇關(guān)于準(zhǔn)晶體的論文，在2011年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這篇論文在很大程度上產(chǎn)生了跨學(xué)科的影響，被物理學(xué)、工程學(xué)以及它所在領(lǐng)域的論文大量引用。

與化學(xué)相反，諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?wù)撐牡挠绊憙H限于一個(gè)領(lǐng)域，幾乎全部來(lái)自生命科學(xué)。一個(gè)典型的例子是Schwarz等人1985年發(fā)表的關(guān)于乳頭瘤病毒的論文，該論文讓HaraldzurHausen獲得了2008年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

Dixon等人1986年發(fā)表的關(guān)于細(xì)胞受體的論文讓Lefkowitz和Kobilka獲得了2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這篇論文的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了化學(xué)的范疇。這篇論文主要被生命科學(xué)引用。

如今，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在自然科學(xué)中扮演了一種橋梁的角色，獎(jiǎng)勵(lì)那些要么只對(duì)化學(xué)產(chǎn)生影響，要么對(duì)物理學(xué)和化學(xué)都產(chǎn)生影響，要么主要對(duì)生命科學(xué)產(chǎn)生影響的發(fā)現(xiàn)。有趣的是，這些跨學(xué)科論文大多是在1980年后發(fā)表的，反映了該領(lǐng)域的主要研究目標(biāo)從傳統(tǒng)的分析化學(xué)向生物化學(xué)的轉(zhuǎn)變，以及跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的出現(xiàn)。

但是物理和生命科學(xué)呢？盡管在過(guò)去的幾十年里，這些領(lǐng)域也發(fā)生了根本性的變化，例如，生物物理領(lǐng)域的跨學(xué)科研究日益增加，但在這些領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究的影響仍然局限在本學(xué)科。

諾貝爾獎(jiǎng)“沒(méi)看上”人工智能、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等高影響研究

為了了解諾貝爾獎(jiǎng)的跨學(xué)科程度，我們將每一篇獲獎(jiǎng)?wù)撐姆湃胍粋€(gè)三角形坐標(biāo)中（圖2a）。

如圖2a所示，如果相應(yīng)論文的所有引用都來(lái)自化學(xué)領(lǐng)域，則將這篇論文放在三角形底部的角上；同樣，右上角表示在物理領(lǐng)域獨(dú)有的影響，左上角是生命科學(xué)。如果一篇論文在幾個(gè)領(lǐng)域中被引用，它就被放在幾個(gè)角之間，它的位置反映了引用的相對(duì)組合。例如，如果一篇論文在三個(gè)領(lǐng)域中獲得的引用數(shù)量相等，那么它就會(huì)位于三角形的中心位置。

在這些分析的基礎(chǔ)上，我們得到了一些發(fā)現(xiàn)：

獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的論文（黃色圓圈）沿著三角形的化學(xué)-物理和化學(xué)-生命科學(xué)這兩條邊傳播，定量地證實(shí)了化學(xué)獎(jiǎng)在獎(jiǎng)勵(lì)超出化學(xué)影響的研究方面所做的努力。

相比之下，諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐亩技性谏茖W(xué)核心領(lǐng)域的狹窄區(qū)域，這表明它們的影響沒(méi)有超出該領(lǐng)域。

同樣，大多數(shù)獲得物理學(xué)獎(jiǎng)的論文都位于物理學(xué)研究領(lǐng)域的狹窄區(qū)域。

所有獲得諾貝爾獎(jiǎng)的論文都位于連接物理-化學(xué)和化學(xué)-生命科學(xué)這兩條邊的狹窄區(qū)域中。在陰影區(qū)域內(nèi)的文章沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這些文章代表的是這個(gè)狹窄范圍之外的想法。換句話說(shuō)，對(duì)這三個(gè)學(xué)科都有影響的工作沒(méi)有被頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)。特別是，有證據(jù)表明在物理-生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域缺乏獎(jiǎng)項(xiàng)。

難道僅僅是因?yàn)闆](méi)有對(duì)物理學(xué)和生命科學(xué)或所有三個(gè)學(xué)科都有重大影響的發(fā)現(xiàn)嗎?

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們將Web of Science上10年內(nèi)被引量排名前10000的論文放入這個(gè)三角形坐標(biāo)中，如圖2b所示。

盡管諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)不是只看論文引用量，但引用量排名前10000論文分布能體現(xiàn)各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域重要發(fā)現(xiàn)的多樣性。事實(shí)上，大多數(shù)諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐亩伎梢栽谶@個(gè)TOP 10000列表中找到。

圖2b確實(shí)證實(shí)了物理-化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域-化學(xué)的交叉領(lǐng)域的高影響力論文的數(shù)量非常多，而且通常被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

然而，這個(gè)圖也表明，在10000篇高引用論文中，有220篇位于跨學(xué)科的陰影區(qū)域內(nèi)，記錄了與物理學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)直接相關(guān)的、影響深遠(yuǎn)的跨學(xué)科發(fā)現(xiàn)的存在，與科學(xué)的全球結(jié)構(gòu)一致。

這些高影響的論文中有一些屬于物理-生命科學(xué)的軸心，大部分反映了近期高度活躍的跨學(xué)科領(lǐng)域（圖2c），包括人工智能（16篇）、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)（18篇）、地質(zhì)學(xué)（15篇）和信號(hào)處理（11篇）。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了10篇關(guān)于量子點(diǎn)（ quantum dots）的跨學(xué)科論文。這些領(lǐng)域涵蓋了一些尚未獲得諾貝爾獎(jiǎng)的最具影響力的跨學(xué)科領(lǐng)域。

綜上所述，圖2給出了在兩個(gè)層面上令人失望的科學(xué)概況。首先，盡管跨學(xué)科的研究對(duì)于解決當(dāng)前科學(xué)和社會(huì)中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題方面是不可避免的，但是絕大多數(shù)的研究仍然是高度學(xué)科化的。其次，我們最負(fù)盛名的科學(xué)認(rèn)可體系——諾貝爾獎(jiǎng)——反映了這個(gè)現(xiàn)實(shí)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)較小的跨學(xué)科工作沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，在統(tǒng)計(jì)上這并不令人意外。然而，近期高影響力的發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多地具有跨學(xué)科影響，特別是物理學(xué)和生命科學(xué)之間的跨學(xué)科影響，而只有化學(xué)獎(jiǎng)面向跨學(xué)科頒獎(jiǎng)。

圖2：諾貝爾獎(jiǎng)的知識(shí)空間。https://mszell.github.io/nobelplot/nobelplot.html上提供了一個(gè)交互式版本。

108篇諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐脑谖锢?化學(xué)-生命科學(xué)三角形中的位置取決于每一篇論文在各自領(lǐng)域獲得的相關(guān)引用的數(shù)量。例如，位于三角形中心的一篇論文在所有三個(gè)領(lǐng)域中獲得了相同數(shù)量的引用，而角落位置的論文只在一個(gè)學(xué)科被引用。圓圈大小表示10年后被引用的次數(shù)，顏色表示學(xué)科范圍：橙色：物理；黃色：化學(xué)；藍(lán)色：生理學(xué)或醫(yī)學(xué)。諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撐亩荚谖锢?化學(xué)和化學(xué)-生命科學(xué)邊界的狹窄地帶。沒(méi)有任何諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給跨學(xué)科領(lǐng)域的論文，特別是物理-生命科學(xué)這條軸上的論文。

10年后被引用次數(shù)最多的1萬(wàn)篇論文中，只有220篇具有高度的跨學(xué)科影響，落在陰影部分的跨學(xué)科領(lǐng)域中。

陰影區(qū)域的220篇跨學(xué)科影響論文中，我們根據(jù)主題確定了最大的組：人工智能（16篇）；網(wǎng)絡(luò)科學(xué)（18篇）；地質(zhì)學(xué)（15篇）；信號(hào)處理（11篇）；量子點(diǎn)（10篇）。

承認(rèn)杰出跨學(xué)科研究迫在眉睫，是否設(shè)立“諾貝爾人工智能獎(jiǎng)”？

隨著時(shí)間的推移，通過(guò)定義一個(gè)跨學(xué)科影響的度量，并測(cè)量前10000篇論文的跨學(xué)科性，從中可以發(fā)現(xiàn)：自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，在不同領(lǐng)域產(chǎn)生平衡影響的研究一直在穩(wěn)步增加。

距離1995年，已經(jīng)是23個(gè)年頭了，而今，跨學(xué)科高影響力論文的數(shù)量在開(kāi)始上升。目前，發(fā)表一項(xiàng)成果，與其獲得諾貝爾獎(jiǎng)之間的平均延遲時(shí)間大約是20年。

因此，承認(rèn)杰出的跨學(xué)科研究迫在眉睫！

圖3：定義了一個(gè)跨學(xué)科影響的度量，I = 1 - G，使用基尼系數(shù)G，一個(gè)不平等的標(biāo)準(zhǔn)度量，應(yīng)用于不同領(lǐng)域的引用數(shù)量。I的值在0到1之間。如果一篇論文的I = 1，那么它從每個(gè)學(xué)科得到的引用量相等；如果I = 0，它只收到一個(gè)字段的引用。

圖3顯示了圖2b中前10000篇論文的I隨時(shí)間的演變。誤差條表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。20多年來(lái)，這些影響深遠(yuǎn)的論文的跨學(xué)科性基本保持不變，但從上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始穩(wěn)步上升。

現(xiàn)代科研跨學(xué)科研究的趨勢(shì)愈發(fā)明顯，那么，科學(xué)界最受矚目和敬仰的獎(jiǎng)項(xiàng)——諾貝爾獎(jiǎng)，也理應(yīng)體現(xiàn)這一趨勢(shì)，正如論文作者所說(shuō)，“為什么不建立一個(gè)新的獎(jiǎng)勵(lì)制度，只認(rèn)可最好的研究，而不是將研究結(jié)果歸為某個(gè)具體的學(xué)科呢？”

希望未來(lái)人工智能領(lǐng)域的研究成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)，無(wú)論是AI系統(tǒng)本身，還是AI作為一種理論方法手段，都不用等太久的時(shí)間。

[注] 三位作者都分別隸屬多個(gè)機(jī)構(gòu)，文章只寫了其中一個(gè)，具體查看論文 Nature Physics volume14,pages 1075–1078(2018)