追蹤物理學(xué)中的跨領(lǐng)域模因

周 毅， 閆光輝， 盧彬煒， 王 珊，李世魁， 衛(wèi) 祥， 楊仕博， 靳 丹

1.蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730070

2.甘肅同興智能科技發(fā)展有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050

3.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅蘭州730050

近年來(lái)，一些社會(huì)問(wèn)題和研究課題往往無(wú)法在單一領(lǐng)域內(nèi)得到解決，于是跨領(lǐng)域研究逐漸成為一種新的解決思路。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為探索科學(xué)結(jié)構(gòu)及其發(fā)展模式提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等科技的蓬勃發(fā)展為科學(xué)學(xué)研究提供了多種技術(shù)手段[2]。從研究引文分布[3-4]到合著網(wǎng)絡(luò)[5-6]再到團(tuán)隊(duì)合作[7]，科學(xué)學(xué)漸漸成為一門(mén)獨(dú)立的、融合多學(xué)科知識(shí)的學(xué)科。雖然有些科學(xué)家更傾向于主流學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新[8-9]而不認(rèn)可跨學(xué)科研究[8]，但不可否認(rèn)的是越來(lái)越頻繁的跨領(lǐng)域交流對(duì)科學(xué)研究起到了一定的促進(jìn)作用。文獻(xiàn)[10] 的分析表明，論文和發(fā)明專(zhuān)利的組合往往能獲得更高的影響因子。文獻(xiàn)[11] 認(rèn)為，如果把看似不相關(guān)的思想和方法成功地結(jié)合起來(lái)可能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。但迄今為止這些宏觀的跨學(xué)科研究往往以論文[9]、期刊[12]、學(xué)科領(lǐng)域[9]、團(tuán)體[13]為研究對(duì)象，忽略了跨領(lǐng)域的微觀本質(zhì)—— 知識(shí)交流。

科學(xué)研究中知識(shí)的傳播和演化從微觀層面體現(xiàn)在知識(shí)隨著論文的引用關(guān)系而傳播[14]。用模因（meme）來(lái)描述知識(shí)的傳播過(guò)程已經(jīng)得到大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同。模因由道金斯在《自私的基因》[15]一書(shū)中首次提出，他認(rèn)為單詞、旋律、食譜、思想等文化實(shí)體與基因的進(jìn)化相似：都具有復(fù)制和突變功能，并且都用人類(lèi)文化代替基因作為繁殖媒介。研究表明，模因的演化可以有效推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散和演化[16]。在引文網(wǎng)絡(luò)中，科學(xué)模因可以理解為論文中的短文本單位，在引用文獻(xiàn)中被復(fù)制并以多種表現(xiàn)形式分布在不同領(lǐng)域[14]。分析模因在不同領(lǐng)域的分布可以有效追蹤知識(shí)在不同領(lǐng)域的演進(jìn)過(guò)程。因此，本文利用引文網(wǎng)絡(luò)中的模因短語(yǔ)來(lái)推導(dǎo)知識(shí)在引文網(wǎng)絡(luò)中的演化。

科學(xué)知識(shí)由包含在論文、書(shū)籍、專(zhuān)利、軟件和其他學(xué)術(shù)制品中的概念和關(guān)系構(gòu)成，這些知識(shí)元素又通過(guò)正式和非正式的信息流、思想等連接起來(lái)[17]。因此，科學(xué)知識(shí)可以描述為一個(gè)復(fù)雜的、自組織的、不斷進(jìn)化的多尺度網(wǎng)絡(luò)[2]。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)為揭示知識(shí)的傳播和演化提供了一個(gè)高效的工具。作為一種分析網(wǎng)絡(luò)的工具，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)有助于更好地理解作者或論文在合著網(wǎng)絡(luò)、引用網(wǎng)絡(luò)中的作用。已有相關(guān)研究通過(guò)構(gòu)建科學(xué)合作網(wǎng)絡(luò)使知識(shí)的微觀特征達(dá)到可視化，從而分析了合作網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性[18]。雖然不同領(lǐng)域表現(xiàn)出不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-6]，但是許多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相似的全局特性。小世界架構(gòu)就是其中之一[6]，它反映了領(lǐng)域內(nèi)高度聚集、領(lǐng)域間稀疏連接的情況，為跨領(lǐng)域研究提供了一種思路。

本文從模因角度追蹤跨領(lǐng)域的知識(shí)交流，構(gòu)建模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，從而提出了一種分析科學(xué)文獻(xiàn)中跨領(lǐng)域知識(shí)關(guān)系的研究框架，并將其應(yīng)用于2000—2019年美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Physical Society,APS）數(shù)據(jù)集。在所構(gòu)建的模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)代表模因短語(yǔ)，邊代表模因短語(yǔ)在論文摘要中的關(guān)聯(lián)程度。利用有權(quán)無(wú)向的模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性和節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了探索性的研究，并著重進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：1）從引文網(wǎng)絡(luò)中提取科學(xué)模因[14]，構(gòu)建模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，以探究其社團(tuán)結(jié)構(gòu)和小世界特性。2）基于之前論文多樣性的研究[19]，假設(shè)模因短語(yǔ)可以量化跨領(lǐng)域研究程度，提出了領(lǐng)域相似度，并計(jì)算模因跨領(lǐng)域指標(biāo)，追蹤到跨領(lǐng)域模因。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)集

本研究的數(shù)據(jù)集使用物理學(xué)領(lǐng)域的引文網(wǎng)絡(luò)，依托于APS 數(shù)據(jù)集（包含元信息及引用關(guān)系）和Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中的APS 文獻(xiàn)摘要信息。在選取數(shù)據(jù)集時(shí)從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)主要考慮物理學(xué)對(duì)科學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)的影響力，從數(shù)據(jù)權(quán)威性看APS 數(shù)據(jù)集更能代表物理學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，且選取單一的數(shù)據(jù)集也有助于形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域分類(lèi)。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，本文根據(jù)文獻(xiàn)唯一索引號(hào)DOI 將摘要信息整合到APS 數(shù)據(jù)元信息中，并提取出APS 數(shù)據(jù)集中的引用關(guān)系形成引文網(wǎng)絡(luò)。

1.2 定義科學(xué)模因

文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的短語(yǔ)或詞匯可作為重要的模因，但是一些高頻出現(xiàn)的詞匯如理論、研究所包含的知識(shí)價(jià)值往往很低。文獻(xiàn)[14] 提出了一種基于引文網(wǎng)絡(luò)識(shí)別科學(xué)模因的算法，利用模因出現(xiàn)的頻率及其在引文中的傳播比例刻畫(huà)出模因短語(yǔ)的得分。高分模因經(jīng)常出現(xiàn)在被引論文包含模因短語(yǔ)的文獻(xiàn)而很少出現(xiàn)在被引文獻(xiàn)中不包含模因的文獻(xiàn)。模因傳播分?jǐn)?shù)Pm和模因分?jǐn)?shù)Mm的計(jì)算公式分別為

式中：dm→m表示包含模因m且引用文獻(xiàn)中至少有1 篇文獻(xiàn)包含模因的論文數(shù)量；d→m表示引用文獻(xiàn)中至少有1 篇文獻(xiàn)包含模因m的論文數(shù)量；dm→ˉm表示包含模因m但引用文獻(xiàn)中不包含模因m的論文數(shù)量；d→ˉm表示引用文獻(xiàn)中不包含模因m的論文數(shù)量；δ是一個(gè)控制參數(shù)，用于矯正分母為0 的情況，同時(shí)放大高價(jià)值模因的傳播分?jǐn)?shù)；fm表示包含模因m的論文比例。

本文使用文獻(xiàn)[14] 提出的方法來(lái)識(shí)別科學(xué)模因短語(yǔ)。首先，從APS 數(shù)據(jù)集中提取出論文引用關(guān)系和摘要；其次，使用python 中的re 庫(kù)對(duì)摘要進(jìn)行分詞，并根據(jù)引用關(guān)系建立論文和被引論文間摘要的對(duì)比關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出式(1) 中4 種情況的數(shù)量關(guān)系以得出傳播分?jǐn)?shù)Pm；最后，計(jì)算模因分?jǐn)?shù)Mm。

1.3 模因關(guān)聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)

在定義科學(xué)模因的基礎(chǔ)上，本文提取出分?jǐn)?shù)排名前1 000 的模因，并根據(jù)模因所屬論文的常見(jiàn)分類(lèi)來(lái)劃分模因所屬領(lǐng)域。

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)代表模因，邊代表模因a和模因b同時(shí)出現(xiàn)在1 篇文獻(xiàn)。邊權(quán)重為模因間關(guān)聯(lián)程度，量化為關(guān)聯(lián)系數(shù)Wab，且

式中：Cab表示同時(shí)包含模因a和模因b的論文數(shù)量，Caˉb表示包含模因a但不包含模因b的論文數(shù)量，Ca表示包含模因a的論文數(shù)量，Wab系數(shù)表示模因a和模因b在論文中共現(xiàn)或不共現(xiàn)與只出現(xiàn)單個(gè)模因的差值的占比。

若兩個(gè)模因總是成對(duì)出現(xiàn)或消失的概率大于模因無(wú)關(guān)聯(lián)的概率，則Wab >0，模因間呈正相關(guān)；否則兩個(gè)模因沒(méi)有相關(guān)性。因此，本文只保留正相關(guān)的連接，即網(wǎng)絡(luò)中權(quán)重為正的邊表示模因間的關(guān)聯(lián)程度。同時(shí)為了確定這一選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及社團(tuán)劃分的影響，本文計(jì)算了無(wú)相關(guān)性的平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為?0.31×10?7，明顯低于正相關(guān)的平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度1.6×10?7，并以標(biāo)準(zhǔn)模塊度劃分社團(tuán)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)刪除無(wú)相關(guān)的邊對(duì)社團(tuán)劃分結(jié)果并不會(huì)產(chǎn)生影響。

為進(jìn)一步探究模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，本文計(jì)算了平均聚類(lèi)系數(shù)和平均路徑長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的平均聚類(lèi)系數(shù)為0.5（大于0.3）、平均路徑長(zhǎng)度為1.8（小于2.0）。這兩個(gè)指標(biāo)說(shuō)明模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出較為明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)[20]。

1.4 模因多樣性指標(biāo)

在不同的領(lǐng)域中，模因代表不同的含義。如何表征模因的跨領(lǐng)域特性是研究不同領(lǐng)域知識(shí)交流的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的跨學(xué)科研究往往以引文網(wǎng)絡(luò)、合著網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，忽略了更細(xì)粒度的知識(shí)流動(dòng)。本文以模因關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，用模因短語(yǔ)反映知識(shí)擴(kuò)散現(xiàn)象，引入第2 代生物多樣性測(cè)度Rao-Stirling（RS）指數(shù)[19]度量模因的多樣性，并提出以模因關(guān)聯(lián)度計(jì)算出的領(lǐng)域相似性代替?zhèn)鹘y(tǒng)的余弦相似性、曼哈頓距離等領(lǐng)域距離指標(biāo)。

1.4.1 RS 多樣性

1.4.2 領(lǐng)域相似性

模因所屬領(lǐng)域由APS 數(shù)據(jù)集中包含該模因的一組論文集確定。如圖1 所示，包含模因1的6 篇文獻(xiàn)中有4 篇文獻(xiàn)屬于領(lǐng)域a，2 篇文獻(xiàn)屬于領(lǐng)域b，由此推導(dǎo)出模因1 屬于領(lǐng)域a。如果領(lǐng)域i中的論文和領(lǐng)域j中的論文存在引用關(guān)系，那么領(lǐng)域i和領(lǐng)域j更相似[21]。將這一思想推廣到模因關(guān)聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)中，若領(lǐng)域i和領(lǐng)域j中的模因存在共現(xiàn)關(guān)系，那么領(lǐng)域i和領(lǐng)域j更相似。

圖1 模因領(lǐng)域分類(lèi)示意圖Figure 1 Schematic diagram of meme field classification

本文提出基于模因關(guān)聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域間相似性度量指標(biāo)Sij。如果模因間的關(guān)聯(lián)跨越了領(lǐng)域i和j，則領(lǐng)域i和j的相似度增加；如果模因間的關(guān)聯(lián)跨越了領(lǐng)域i和領(lǐng)域j以外其他領(lǐng)域，則領(lǐng)域i和j 的相似度減少；如果模因間的關(guān)聯(lián)在領(lǐng)域內(nèi)部，則不影響領(lǐng)域間的相似度。同時(shí)相似度的計(jì)算考慮模因間的關(guān)聯(lián)權(quán)重Wab。領(lǐng)域相似度Sij定義為

式中：mi,j為領(lǐng)域i和j間所有模因關(guān)聯(lián)度之和，

1.5 網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度

為了從總體上度量一個(gè)學(xué)科內(nèi)部的跨領(lǐng)域交流情況，單純地累加領(lǐng)域相似度既缺乏可解釋性，又忽略了不同領(lǐng)域維度對(duì)總體度量指標(biāo)影響力的差異性。于是，本文借鑒Dworkin 衡量網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域程度的思想[22]提出了宏觀的、平衡各領(lǐng)域維度差異的網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度。

將領(lǐng)域看作一個(gè)類(lèi)，分別獨(dú)立地考慮類(lèi)外連接和類(lèi)內(nèi)連接，并用平均加權(quán)度的概念來(lái)衡量連接強(qiáng)度。類(lèi)外連接強(qiáng)度大說(shuō)明領(lǐng)域更傾向于跨領(lǐng)域知識(shí)交流，類(lèi)間連接強(qiáng)度大說(shuō)明領(lǐng)域更傾向于領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)交流，以兩者的差值反映領(lǐng)域知識(shí)交流傾向。本文對(duì)所有領(lǐng)域分類(lèi)求平均，以求平等地衡量不同規(guī)模領(lǐng)域?qū)傮w得分的影響。網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度定義為

式中：領(lǐng)域i和j屬于領(lǐng)域集合{c1,c2,··· ,cN}，N為領(lǐng)域數(shù)量。

數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前制造業(yè)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的設(shè)備，其中結(jié)合了很多學(xué)科知識(shí)，和其他設(shè)備相比，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與工作原理更加復(fù)雜。在這種情況下，數(shù)控機(jī)床在工作運(yùn)行過(guò)程中很容易出現(xiàn)一些故障與問(wèn)題，進(jìn)而影響數(shù)控設(shè)備的正常工作。數(shù)控維修是數(shù)控專(zhuān)業(yè)中的關(guān)鍵課程，通過(guò)對(duì)課程的數(shù)字化，能夠加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力。在數(shù)字化課程建設(shè)過(guò)程中，主要是從以下幾方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：

2 結(jié)果和分析

2.1 科學(xué)模因

本文在構(gòu)建APS 引文網(wǎng)絡(luò)后使用式(2) 識(shí)別摘要中的模因[14]，模因得分越高的短語(yǔ)或詞匯越有可能成為領(lǐng)域研究中的模因。

表1 列出了2015—2019年期間APS 引文網(wǎng)絡(luò)中排名前10 的科學(xué)模因。在百度詞條中檢索表1 中的模因可以發(fā)現(xiàn)，近5年物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要聚焦在宇宙學(xué)、材料（石墨烯）、量子通信、流體力學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)科學(xué)模因分?jǐn)?shù)也在隨著研究的深入不斷演變，進(jìn)而反映出模因短語(yǔ)的熱門(mén)程度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

表1 2015—2019年期間排名前10 的模因及其得分Table 1 Top 10 memes and their scores from 2015 to 2019

2.2 模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)識(shí)別模因可以探究熱點(diǎn)知識(shí)的演變。本文用構(gòu)建模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)模因間關(guān)系的可視化，直觀地展示不同模因間的關(guān)聯(lián)程度，揭示模因演化過(guò)程中的相互影響。使用式(3) 計(jì)算模因間的關(guān)聯(lián)程度，并構(gòu)建模因關(guān)聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)。圖2 描繪了模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并刻畫(huà)了網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)可視化使用Gephi 軟件，其中網(wǎng)絡(luò)可視化的具體設(shè)置為Fruchterman Reingold 布局（力引導(dǎo)布局）、快速模塊化社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法[23]和pagerank 算法[24]。

圖2 2000—2019年期間模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)Figure 2 Meme correlation network from 2000 to 2019

模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)不僅能呈現(xiàn)出社區(qū)劃分結(jié)果，而且能夠反映不同領(lǐng)域中科學(xué)模因的社團(tuán)結(jié)構(gòu)?？梢钥吹?，具有更多跨領(lǐng)域聯(lián)系的模因（統(tǒng)計(jì)物理、交叉學(xué)科物理等）往往表現(xiàn)出更強(qiáng)類(lèi)間連接，并與非線性物理、量子通信、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的模因呈現(xiàn)較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度。同一模因往往橫跨多個(gè)領(lǐng)域。

模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中邊的權(quán)重表示不同模因間關(guān)聯(lián)程度，關(guān)鍵模因周?chē)年P(guān)聯(lián)模因反映了關(guān)鍵知識(shí)隨時(shí)間的演化趨勢(shì)。其他模因與關(guān)鍵模因的距離用余弦相似度度量，模因字體大小與關(guān)聯(lián)程度有關(guān)。圖3 顯示2017—2019年期間分?jǐn)?shù)排名第1 的模因“dark matter”、分?jǐn)?shù)排名第2 的模因“graphene”與其他模因的關(guān)聯(lián)度變化。

圖3 2017年—2019年“dark matter”和“graphene”的關(guān)聯(lián)度前10 的模因可視化Figure 3 Memes visualization of top 10 correlations about “dark Matter” and “graphene” from 2017 to 2019

2.3 模因多樣性指標(biāo)

本節(jié)在構(gòu)建模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究其跨領(lǐng)域特性，追蹤跨領(lǐng)域模因的多樣性。首先，由模因的領(lǐng)域關(guān)系定義出不同領(lǐng)域間的距離dij=1?Sij。其次，將領(lǐng)域間距離dij代入RS 多樣性指標(biāo)Δ，得到模因跨領(lǐng)域得分。最后，通過(guò)模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)劃分、網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度指標(biāo)和對(duì)比百度詞條來(lái)驗(yàn)證模因跨領(lǐng)域分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性。

2.3.1 領(lǐng)域相似性

為了量化不同領(lǐng)域間的模因擴(kuò)散現(xiàn)象，本文以2000—2019年期間APS 模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，由式(5) 計(jì)算出APS 的領(lǐng)域相似性Sij，從而得到領(lǐng)域間距離如圖4 所示。從圖4可以看到，關(guān)聯(lián)度最高的兩個(gè)領(lǐng)域?yàn)镚ravitation, Cosmology & Astrophysics 和Particles &Fields，從模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中得到的領(lǐng)域間相似性均低于0.3，這與以往跨學(xué)科相似度度量指標(biāo)一致[25]。圖4 展示的領(lǐng)域相似度與模因社團(tuán)劃分結(jié)果相似，Particles & Fields 表現(xiàn)出較強(qiáng)的交叉領(lǐng)域特性，可見(jiàn)領(lǐng)域相似性有效反映了領(lǐng)域間的合作關(guān)系。

圖4 領(lǐng)域間相似關(guān)系矩陣Figure 4 Matrix of similarity relationships between domains

2.3.2 RS 多樣性

本小節(jié)探究領(lǐng)域相似度對(duì)模因多樣性的影響。以Sij代替?zhèn)鹘y(tǒng)相似性度量計(jì)算RS 多樣性指標(biāo)Δ

式中：pi表示包含模因的論文中屬于領(lǐng)域i的論文比例，Sij表示領(lǐng)域i和領(lǐng)域j的相似度。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 定性分析

表2 中的跨領(lǐng)域模因?yàn)閳D5 中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，節(jié)點(diǎn)大小可用PageRank 算法求出[24]。從圖5 的社團(tuán)劃分結(jié)果[23]可以看出，20 個(gè)跨領(lǐng)域模因中有18 個(gè)模因明顯處于不同社團(tuán)連接處，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面驗(yàn)證了跨領(lǐng)域模因的結(jié)構(gòu)特性。

圖5 2015—2019年期間模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)劃分及前20 名跨學(xué)科模因節(jié)點(diǎn)Figure 5 Community division of meme correlation network and top 20 interdisciplinary memes nodes from 2015 to 2019

表2 2015—2019年期間模因多樣性排序前20 的跨領(lǐng)域模因Table 2 Top 20 cross-field memes in meme diversity ranking from 2015 to 2019

3.2 定量分析

本文采用1.5 節(jié)提到的網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度方法定量分析跨領(lǐng)域模因的有效性。通過(guò)對(duì)比節(jié)點(diǎn)刪除前后網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度方法Sglobal的變化來(lái)分析刪除節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度的影響。若刪除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)后網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度Sglobal增加，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中跨領(lǐng)域連接減少，領(lǐng)域內(nèi)連接增多，進(jìn)一步推斷出刪除的節(jié)點(diǎn)為跨領(lǐng)域模因，反之說(shuō)明刪除的節(jié)點(diǎn)為領(lǐng)域內(nèi)模因。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)依次刪除2015—2019年間模因多樣性前20，30，50，70，100，150，200，300，400，500，600，700，800 節(jié)點(diǎn)后網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度的變化趨勢(shì)。圖6 為刪除模因多樣性前n個(gè)節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)刪除n個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。

圖6 2015—2019年期間網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度Sglobal 實(shí)驗(yàn)對(duì)比Figure 6 Experimental comparison of network cross-domain measure Sglobal from 2015 to 2019

從變化趨勢(shì)來(lái)看，在依次刪除排序前100 個(gè)節(jié)點(diǎn)的6 次實(shí)驗(yàn)中，Sglobal逐步上升，說(shuō)明排序前100 的節(jié)點(diǎn)對(duì)跨領(lǐng)域模因的刻畫(huà)是準(zhǔn)確的。同時(shí)依次刪除排序前800 個(gè)節(jié)點(diǎn)后，Sglobal指標(biāo)都比原網(wǎng)絡(luò)有所上升，從而說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的有效性。與隨機(jī)實(shí)驗(yàn)相比，跨領(lǐng)域模因的移除減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的跨領(lǐng)域性。模因多樣性排序100 以后節(jié)點(diǎn)的跨領(lǐng)域性質(zhì)不明顯(Sglobal<0.08)，可以判斷這些節(jié)點(diǎn)為領(lǐng)域內(nèi)模因，在圖6 中表現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度的波動(dòng)?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度的驗(yàn)證可以說(shuō)明本文得到的模因多樣性排序是準(zhǔn)確的。

3.3 跨領(lǐng)域模因的現(xiàn)實(shí)意義

為了進(jìn)一步驗(yàn)證跨領(lǐng)域模因的現(xiàn)實(shí)意義。首先以表2 中排名第1 的“weakly interacting massive”為例檢索維基百科和百度百科，發(fā)現(xiàn)該詞匯主要解釋為“弱相互作用大質(zhì)量粒子，它是一種仍然停留在理論階段的粒子，也是暗物質(zhì)最有希望的候選者”。并且發(fā)現(xiàn)“weakly interacting massive”與表1 中熱點(diǎn)模因“dark matter”存在直接聯(lián)系，這一結(jié)果表明天文物理學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)的研究可以結(jié)合粒子領(lǐng)域中的弱相互作用大質(zhì)量粒子的研究展開(kāi)。

其次，依次檢索表2 中排名前10 的跨領(lǐng)域模因，不難發(fā)現(xiàn)這10 個(gè)跨領(lǐng)域模因大多集中在天體物理、流體力學(xué)和粒子領(lǐng)域，其中屬于粒子物理的跨領(lǐng)域模因有5 個(gè)，即：“weakly interacting massive”“quark matter”“Bose-Hubbard”“axions”“neutrino flux”，且這5 個(gè)模因都表現(xiàn)出與天體物理或流體力學(xué)的跨領(lǐng)域含義，進(jìn)一步可以得出物理學(xué)中的粒子物理更具有跨領(lǐng)域特性。

最后，以科睿唯安發(fā)布的《2019 研究前沿》為基準(zhǔn)，判斷跨領(lǐng)域模因在知識(shí)創(chuàng)新方面的現(xiàn)實(shí)意義?！?019 研究前沿》指出物理學(xué)Top10 前沿研究主要集中在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的量子自旋液體、氮族二維材料、馬約拉那費(fèi)米子和拓?fù)渎曌泳w4 個(gè)方面，其中理論物理領(lǐng)域的量子力學(xué)模型，高能物理領(lǐng)域的四夸克態(tài)和五夸克態(tài)，天文物理領(lǐng)域的引力波、中微子、哈勃常數(shù)、伽馬射線、宇宙早期暗淡星系等學(xué)術(shù)短語(yǔ)與本研究得到的跨領(lǐng)域模因高度關(guān)聯(lián)。從表2 可以看出，《2019 研究前沿》所提出的物理學(xué)熱點(diǎn)大多都被排名前10 的跨領(lǐng)域模因所涵蓋，只有少數(shù)熱點(diǎn)如馬約拉那費(fèi)米子、哈勃常數(shù)不在排名中。因此本實(shí)驗(yàn)在預(yù)測(cè)物理學(xué)前沿方面得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文用模因短語(yǔ)表示微觀視角下的知識(shí)概念，通過(guò)構(gòu)建模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究跨領(lǐng)域知識(shí)交流現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于2000年以來(lái)發(fā)表在APS 系列期刊上的文獻(xiàn)。模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出小世界、類(lèi)內(nèi)高聚集和類(lèi)間連接稀疏的特性，表明所構(gòu)建的模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)能有效反映科學(xué)研究中知識(shí)的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的社區(qū)劃分揭示了多領(lǐng)域中包含相同模因的跨領(lǐng)域知識(shí)交流現(xiàn)象。本文用新的領(lǐng)域相似性度量指標(biāo)來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的跨領(lǐng)域模因，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明跨領(lǐng)域模因不僅在網(wǎng)絡(luò)跨領(lǐng)域測(cè)度驗(yàn)證中表現(xiàn)較好，而且在與百度百科、維基百科和《2019 研究前沿》的對(duì)比分析中也表現(xiàn)出與熱點(diǎn)前沿的高度關(guān)聯(lián)。

本文從獨(dú)特的模因角度研究跨領(lǐng)域中的知識(shí)交流現(xiàn)象，定義的跨領(lǐng)域模因?qū)τ诮鉀Q熱點(diǎn)問(wèn)題、指導(dǎo)跨領(lǐng)域創(chuàng)新起到一定的積極作用；得到的跨領(lǐng)域模因與Kuhn 等人得到的研究領(lǐng)域熱點(diǎn)模因[14]表現(xiàn)出極大的相關(guān)性，也間接證明跨領(lǐng)域研究往往緊跟研究熱點(diǎn)，這為解決研究熱點(diǎn)問(wèn)題提供了新的解決思路。他山之石可以攻玉，科學(xué)研究思路或許可以從相關(guān)問(wèn)題的跨領(lǐng)域模因中得到啟發(fā)。

本文數(shù)據(jù)僅使用APS 數(shù)據(jù)集映射整個(gè)物理學(xué)發(fā)展，具有一定的局限性。有研究表明，研究領(lǐng)域在作者和引文網(wǎng)絡(luò)中存在有較大差異[5-6]，因此不同期刊的表現(xiàn)也可能存在差異性。未來(lái)的工作考慮以多個(gè)期刊數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建模因的多關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并研究期刊間的結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)本文未從知識(shí)動(dòng)態(tài)演化方面考慮跨領(lǐng)域模因的變化，未來(lái)工作將進(jìn)一步考慮以時(shí)間窗刻畫(huà)不同時(shí)期模因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的跨領(lǐng)域變化趨勢(shì)，以期更好地研究不同領(lǐng)域間差異性變化。