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中国科技水平在世界上的位置

2015-11-26 09:00 大数据实验室

当今世界科技水平最高的国家显然是美国。中国的科技水平处于什么位置呢?我的回答是第一集团,跟美国有显著差距,但属于同一级别。

基础研究的论文与期刊

更详细地说,科学技术分为基础研究、应用研究、工业技术、生产经验等多个层次。各个层次之间既有密切的联系,也可以有一定程度的不同步。不同背景的人往往关注的层面不同。笔者从事理论与计算化学的基础研究,所以先在这里介绍一下基础研究的现状。

基础研究的成果,在绝大部分情况下表现为学术论文,发表在科学期刊上。科学界之外的人往往觉得能发表论文就很了不起了,但其实不同的论文之间水平相差很远,科研人员对论文质量的重视程度远远超过数量。如何评价论文的质量?如果对一个领域很熟悉,自然可以仔细阅读每篇文章,就其内容给出评价。但世界上的论文早已汗牛充栋,谁都看不过来,现代科学又分得越来越细,隔行如隔山,即使对相近专业的论文也很可能不足以给出评价。那么怎么快速地估计文章质量呢?简单而有效的办法是看它发表的期刊。

在现代科研体系中,文章不是作者想发就能发,而是由刊物的编辑和审稿人把关的。世界上有数以万计的科学期刊,不同的期刊之间审稿标准相差很远,好比奥运会和学校运动会的区别。学校运动会里会不会有世界冠军?原则上是有可能的,但这个可能性非常小,大多数人还是玩票的。而能参加奥运会的选手,即使你不知道他的具体成绩,但也可以相信总是达到了相当高的水平。

我们再来解释一下杂志“好”的程度。英国的《自然》(Nature)和美国的《科学》(Science)是两家著名的顶级期刊,它们的文章范围涵盖整个自然科学。有一些声名卓著的杂志涵盖整个一级学科,如《物理评论快报》、《美国化学会志》、《德国应用化学》、《化学科学》。又有一些质量很高的杂志覆盖一个二级学科,如《有机化学通讯》、《高能物理杂志》。再往下,门槛越低,杂志越多。这是一幅学术金字塔的图像。把哪些杂志称为一流是有一定任意性的,但出入也不会太大,科研工作者的共识比歧见多得多。

自然指数

近年来,《自然》的发行者自然出版集团提出了一套衡量国家或研究机构基础科研产出的指标,称为自然指数。他们挑选了68家一流期刊,统计每个国家或研究单位在这些期刊上发表多少论文。这是最基础的指标,他们称之为文章计数(article count,AC)。这并不是说不在这68家杂志上的文章都不好,其实出自档次比较低的期刊的重要文章也不少,还有得到诺贝尔奖的。也不是说这68家杂志上的文章都很好,这些文章中也难免有一些价值不大的。但毕竟,在这68家杂志中出现重要文章的概率比在其它杂志上大得多。在不知道更多信息的情况下,你看到一篇出自这些杂志的文章和一篇出自其它杂志的文章,可以十拿九稳地猜测前者比后者重要。所以作为一个对大量样本的统计,选取这68家期刊是可以接受的。当代科学合作很频繁,一篇文章经常有多个跨单位甚至跨国的作者。所以他们又做了进一步的分析,把一篇文章平均分给每个作者,再根据每个作者的地址信息确定每个国家或单位占多少份额,称为分数计数(fractional count,FC)。比如一篇文章有两个作者,一人来自中国,一人来自美国,那么中美就各得到0.5的FC。此外,在这68家期刊中的天文学论文占世界所有天文学论文的比例大约是其它学科的5倍,因此他们又把天文学论文的权重乘以0.2,把FC调整成加权的分数计数(weighted fractional count,WFC),作为最重要的评判指标。这套做法在期刊的选取、各个作者的贡献等细节上当然还有很多可以商榷或改进的地方,但基本思路是合理的,参考价值比较高。

2014年12月,自然出版集团公布了2014年(实际上是2013年12月至2014年11月)的统计结果。美国的WFC排第一,18643。中国第二,5206。德国第三,4077。四到十位是日本、英国、法国、加拿大、西班牙、瑞士、韩国,从3371到1151。超级大国苏联的继承者俄罗斯不在前十之中。可以看出美国非常强大,WFC是中国的3.6倍。但中国排第二,达到德国的1.3倍、日本的1.5倍,也相当不错。

自然指数

再从研究单位的角度看,WFC最高的是哪一家?答案是中国科学院,高达1209,是第二位哈佛大学(852)的1.4倍。也许你会说这不公平,中国科学院是由许多研究所组成的,跟一个大学没有可比性。然而第三位是德国马克斯·普朗克学会(729),第四位是法国国家科学研究院(721),它们都和中国科学院类似。可见至少在科学协会之间比,中国科学院排第一是没有疑问的。再仔细想想,一个大学有很多院系和专业,而像中国科学院化学研究所、中国科学院等离子体物理研究所这样的研究所只对应于大学的一个学院、一个系甚至一个专业,所以把协会和大学的科技产出做对比也未尝不可。

以上结果对科学界之外的人来说可能有点意外,但对科研工作者来说很正常,因为符合我们的日常感觉。仅仅十多年前,中国的一流文章还非常少见,很多教授都从来没发过,有一篇就显得很高大上了。进入21世纪以来,中国科技论文的数量和质量都出现了爆炸性的增长,对人才的标准也一路水涨船高。现在想在科大这样的单位获得副教授职位,五篇一流文章算是起步价。出门介绍研究成果,如果不是这种量级的,简直不好意思跟人打招呼。

美国的一流和二流大学的研究水平是非常高的,随便拎出一个教授来都是响当当的人物,还有一大波诺贝尔奖得主。是的,不少诺贝尔奖得主是在美国二流大学工作的。不是很久(十年?)以前,中国大学的研究水平整体而言跟美国还没得比,相差太远。不过中国的进步非常快,现在中国一流大学的研究水平我觉得已经接近美国的二流大学了。至少人们的期待值发生了变化,中国的研究单位作出世界一流的成果被看成理所当然的事,不会令人感到惊讶了。进步也表现在广度上,以前只有中国的一流院校才能指望作严肃的研究,现在连一些二流院校都不时发一篇《自然》、《科学》了。

中国的上升势头之猛可以从各国2014年与2013年WFC的对比上看出来。美国下降0.8%,德国上升1.0%,日本下降2.3%,英国上升0.9%,然后六到十位的法国、加拿大、西班牙、瑞士、韩国都是下降的。中国呢?上升14.9%!这是个什么概念?如果保持14.9%的增速,5年就会翻一番。如果中美都保持14.9%和-0.8%的变化率,8.7年后中国就会赶上美国。

然而这还没完。自然出版集团的WFC数据是每月更新的。现在显示的是从2014年6月到2015年5月的统计,跟2014年12月的数据相比刚好过去了半年。仅仅半年时间里,中国的WFC又从5026变成了6318,增长25.7%!按照这样的速度,两个半年即一年就会增长58%,达到7942。因此以后如果看到报道中国2015年的WFC达到7000甚至8000,不要感到奇怪。与此同时,美国的WFC从18643变成17448,下降6.4%;德国从4077变成3939,下降3.4%。在半年时间里,美国对中国的比例从3.6缩小到2.8,中国对德国的比例从1.3扩大到1.6。如果这种令人咋舌的速度持续下去,中国超越美国所需要的时间就不是9年,而是3年!我们有可能在2017年就看到!此外,俄罗斯(338)排在第十九位,中国是俄罗斯的18.7倍。

还有另外一个维度可以考察一下。前面说的WFC来自对68个一流期刊的统计,但这些期刊的学术地位并不相等,好比《射雕英雄传》里的裘千仞和王重阳都算一流高手,但王重阳还是比裘千仞厉害不少。《自然》和《科学》的学术声誉和发表难度比其它大多数一流期刊更高,我们可以把它们作为顶级期刊的代表。当然这个代表性低一些,因为历史上发表在《自然》与《科学》之外的里程碑式论文(包括许多得到诺贝尔奖的)实在是太多了,远远多于发表在那68个一流期刊之外的,不过仍然不妨做个参考。自然出版集团也给出了只限这两个杂志的WFC,我们姑且把它作为各个国家或研究机构发表顶级论文的指标。从2014年6月到2015年5月,国家中最高的是美国(860),然后是英国(144)、德国(116)、法国(67),中国(58)只排在第五位。研究单位中最高的是哈佛大学(75),而中国科学院(17)只排到第十五位。这里固然有《自然》与《科学》对英美特别照顾的因素,不过也反映出我们在顶级论文中的地位比在一流论文中的地位低一截。换句话说,就是我们的优势主要在于次顶级的成果。后面将会谈到,这是一个具有某种普遍性的现象,而且与中西的历史与文化有关。

五大知识产权局的专利数据

基础研究的产出可以用科学论文度量,下面我们再来看应用技术的产出,用专利度量。世界五大知识产权局是欧洲专利局、日本特许厅、韩国特许厅、中国国家知识产权局和美国专利商标局,五局处理了世界80%的专利申请,承担了专利合作条约95%的工作。从2012年以来,五局每年联合发布统计报告。2015年初,五局发布了2014年的主要统计数据报告,完整版的2014年五局统计报告将于2015年底完成。专利分为发明专利、实用新型专利和外观设计专利,显然发明专利是与科技水平相关程度最高的。五局的主要统计数据报告中列出的全都是发明专利的数据。

2014年五局共收到230万件发明专利申请,其中最多的是中国,高达92.8万件,占了40%!其次是美国,57.9万件。日本、欧洲、韩国分别是32.6、27.4和21.0万件。这是中国连续第四年居于发明专利申请量第一的位置。跟2013年相比的增速,中国也是最高的,达到12.5%。美日欧韩的增速分别是1.3%、-0.7%、3.1%和2.8%。

再来看发明专利的授权。2014年五局共授权了95.54万件发明专利,其中最多的是美国,30.1万件,占31%。其次是中国,23.3万件。日本、韩国、欧洲分别是22.7、13.0和6.5万件。中国的增速12.3%最高,美日韩欧的增速分别是8.2%、-18.0%、1.9%和-3.1%。

有一点需要注意的是,每个知识产权局的申请人都来自全世界,不只是自己国家。在中国国家知识产权局的申请人中,86%来自中国,4%来自美国。而在美国专利商标局的申请人中,只有50%来自美国,3%来自中国。在授权方面,中国国家知识产权局的专利权人中,来自中国和美国的分别占70%和7%。美国专利商标局的专利权人中,来自美国和中国的分别占48%和2%。显然,美国专利的国际化程度比中国高不少,吸收外国智力成果的能力值得我们学习。

研发人员与经费

看完了专利,再来看国家在研究上的人力物力投入。科技部出版的《中国科技人才发展报告(2014)》显示,2013年我国的研究与发展(R&D)人员总数为353.3万人,超过美国,居世界第一位。

根据国家统计局的《2014年国民经济和社会发展统计公报》,2014年中国的研究与试验发展经费支出为13312亿元,比2013年增长12.4%,占国内生产总值(GDP)的2.09%。按照1美元兑换6.2人民币元计算,相当于2150亿美元。根据世界银行的数据,前文中2014年WFC世界前十位的国家在2012年的R&D支出占GDP比例是:中国1.98%,美国2.79%,德国2.92%,日本3.39%(2011年),英国1.72%,法国2.26%,加拿大1.73%,西班牙1.30%,瑞士3.41%,韩国4.04%(2011年)。中国的比例处于中等偏低,不过在较快地上升。由于中国的GDP仅次于美国,超过第三名日本的两倍,所以可以肯定中国的研发投入处于世界第二位,接近美国的一半。2014年,世界经济合作与发展组织在《经合组织2014年科学技术与工业展望》中预测,中国的研发支出将在2019年前后超过欧盟和美国,跃居世界首位。

工业技术水平

再来看生产中的技术水平。第四代战斗机,美国有已服役的F-22和F-35,中国有试验中的歼-20和歼-31。航空母舰,美国有11艘核动力航母,中国只有一艘从买来的瓦良格号改建的辽宁舰,蒸汽动力,据说国产航母正在建造。卫星导航系统,美国有GPS,中国有北斗。导弹防御系统,中美都有。导弹打卫星,中美都有。弹道导弹打航母,只有中国有。有源相控阵雷达,中美都有。预警机,中美都有,中国的更先进(观察者网注:有源相控阵雷达在原理上比无源先进)。超高音速飞行器,中美都在试验中。空间站,美国、俄罗斯等16国共用国际空间站,中国有天宫。太空探索,美国的探测器登陆火星,中国只到月球。芯片,美国有Intel、AMD,中国只有龙芯、华为麒麟。操作系统,美国有windows、iOS、安卓,中国没有像样的代替物。电信,美国有思科,中国有华为、中兴。4G标准,美国有FDD-LTE,中国有TD-LTE。搜索引擎,美国有谷歌,中国有百度。电子商务,美国有亚马逊、eBay,中国有阿里巴巴、京东。社交媒体,美国有脸书、推特,中国有微信、微博。汽车,美国有通用、福特、克莱斯勒,中国只有奇瑞、吉利、长城。电动汽车,美国有特斯拉,中国有比亚迪。手机,美国有苹果,中国有华为。高铁,美国还没有,中国占世界一半以上。大飞机,美国有波音,中国的商飞正在研制C919。液晶显示,美国几乎没有,中国有京东方……这个名单可以列很长。基本的特点是,大多数领域美国领先,但差距在缩小中。也有些领域中国领先,如预警机、火力发电。有些领域美国占压倒性优势,也有些领域中国占压倒性优势。

歼-20

能在几乎所有领域和美国正面对抗,而且还互有攻防的,世界上只有中国一家。其他西方国家由于体量较小,又缺少国家意志,在四代机、搜索引擎、电子商务、社交媒体、手机等领域基本都放弃了。日本放弃得更多,除这些外还有电信标准、导航系统、大飞机等。俄罗斯只能抓军工和航天,在大部分领域里都退出了竞争。只有中国在全面发力,在每场竞赛中都不缺席。

这里有一件很有趣的事。一个选手如果只参加几场比赛,取得了好成绩,那么人们一般就只称赞他。而另一个选手出现在所有的赛场上,在大部分赛场上都排在前五位,就经常被人批:为什么短跑不如博尔特?跨栏不如刘翔?跳远不如刘易斯?拳击不如邹市明?太弱了!对中国,大家批的是:为什么汽车不如德国?芯片不如美国?机器人不如日本?液晶不如韩国?这种批评背后的意思是中国应该在每一个领域都做到第一,否则就是失败。其实任何国家都不可能在所有领域都是第一,这是个脱离实际的要求。怎么不提德国的社交媒体不如美国,美国的高铁不如日本,日本的手机不如韩国,韩国的太多东西不如中国?他们是不是也该痛心疾首地反思?

不过这个脱离实际的要求也有正面意义,就是说明中国人民内心非常骄傲,自我期许极高。我们铭记着天朝上国的荣光,知道自己在历史上全面领先过。面对困难,我们总是认为内因是主导因素,自己搞好了就没有过不去的槛,坚信人定胜天,君子自强不息,士不可以不弘毅。这其实是大国特有的一种自信,一种盲目的自信。对许多小国来说,命运多次不由自己决定,他们很清楚人力有时而穷的道理,适当地选择大国投靠是他们必备的生存智慧。大国的这种自信虽然盲目,虽然不合逻辑,但仍然是有价值的。它多次使大国的人民焕发出不可思议的勇气和创造力,完成了许多伟业。正如基辛格《大外交》第18章所言:“大事业往往需要一点天真去推动。”盲目的自信总比盲目的自卑好得多,这种自信是超级大国人民必备的底蕴。

重剑无锋,大巧不工

综合以上对科学论文、专利、科研人力、研发经费、生活质量、工业水平的讨论,就得到了前边说过的结论:中国的科技水平处于第一集团,跟美国有显著差距,但属于同一级别。有一点值得注意的是,论文和专利表示的是科技的增量,而不是存量,正如GDP表示的是财富的增量,而不是存量。由于我们爆炸式发展的时间还比较短,科技和财富的存量可能还不如其他一些国家,换句话说就是那些国家还有老本可以吃。但是在各种增量指标上,我们都已经是数一数二的了。而在这些增量指标的增速上,即增量的增量,我们毫无悬念是世界第一,如前面说的2014年WFC比2013年增长14.9%,发明专利申请数增长12.5%,其他国家不下降就不错了。这是因为我们的经济在快速发展,科技投入在快速增加,即使其它条件都不变,科技产出也会快速上升的。正如一句老话:能用钱解决的问题就不是问题。

有人有钱就能搞好科技,这个道理虽然正确,却不容易让人相信,因为许多人特别不自信,说得好听点就是太有忧患意识,忧患过头了。1999年左右,杨振宁到科大演讲《近代科学进入中国的回顾与前瞻》,结论是:“以下的几个长远的因素是使得一个社会、一个国家能够有辉煌的科技发展的必要条件。第一个是需要有聪明的年轻人,有头脑做科学研究;第二是需要有重视纪律、重视忍耐心、重视勤奋的社会传统;第三要有决心;第四要有经济条件。……中国在20世纪里有前三者,到了21世纪我认为将四者具备,所以我对21世纪中国科技的发展是绝对乐观的。”这正应了《道德经》里的话:“上士闻道,勤而行之;中士闻道,若存若亡;下士闻道,大笑之。不笑不足以为道。”


(来源:四川大学IBM俱乐部)




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