袁岚峰：中国科技实力正以多快的加速度逼近美国

村夫遥星

袁岚峰：中国科技实力正以多快的加速度逼近美国

袁岚峰

化学博士，中科大副研究员，ID：中科大胡不归

【BBC关于中国教师在英执教的纪录片，再度掀起了中西教育对比的大讨论。在正反双方的唇枪舌剑中，中国科技水平自然“躺枪”，比如缺乏重大突破，本土科学家没有拿过诺贝尔奖等等。世界第二大经济体真的是靠低技术撑起来的？中科大副研究员袁岚峰博士赐稿观察者网，详细分析了中国科技水平在世界上的位置。】

如何理解当今的世界大势？世界和中国如何演化到现在这样？将来会怎么样？要回答这些问题，就要先看清大图景。

科学中，不同的事实材料有不同的重要性。首先要理解和解释那些最重要的事实，才能建立起理论体系。当然，判断哪些事实最重要，最值得解释，是需要洞察力的。例如爱因斯坦从测量地球在以太中漂移速度的否定结果，领悟到以太根本不存在，光速在所有惯性参照系中都相等，以此为基础建立起了狭义相对论的大厦。民科常犯的一个错误就是用细节问题否定基本理论，各种推翻相对论、量子力学的尝试大都是如此。殊不知细节问题之所以困难，往往是因为影响因素太多，研究者难以把握。例如一片树叶下落的运动，跟树叶的质量分布、每个瞬间的气流都有关系，要描述清楚极其困难。而最重要的事实、大趋势反而是相对简单的，只要抓住几个关键因素，就能得出深入的结论。所以预测一只股票的价格非常困难，预测一个国家的经济增长率却要容易得多。

那么，人类社会哪些事实是最重要的？对于这个问题，我们不妨这样想：如果有外星人在观察地球，他们会首先关注我们的什么？或者我们发现了一个外星文明，我们最先想知道的是他们的什么？

科技与文明等级

答案很明显，是科技水平。从能源的角度看，用火的文明，用畜力的文明，用蒸汽机的文明，用电力的文明，和用核聚变的文明，发展程度是完全不同的。从材料的角度看，用石头的文明，用青铜的文明，用铁的文明，用化学合成的塑料、橡胶、纤维的文明，和用刘慈欣科幻小说《三体》中的强相互作用材料“水滴”的文明，发展程度是完全不同的。高等级的文明遇到低等级的文明，就是碾压。在同一等级的文明之间，即使政治制度、意识形态、文化传统相差很远，还是可以平等对话的。如果我们发现一个外星文明处于冷兵器时代，我们不会紧张，该担心的是他们。如果发现他们会使用不可控的核聚变（即氢弹），跟我们并驾齐驱，我们就要认真对待了。如果发现他们会可控核聚变，会星际航行，我们就只好祈祷他们是善意的了，因为他们要消灭我们只是举手之劳。

根据《三体》小说的设定，“水滴”用强相互作用材料制成的

1964年，苏联天体物理学家尼古拉·谢苗诺维奇·卡达谢夫提出了卡达谢夫标度，用一个文明能够用来通讯的功率衡量这个文明的技术水平。按照他的标度，I型文明能够调集与整个地球的输出功率（10的15次方至16次方瓦特）相当的能量用于通讯，II型文明能够把一颗恒星的输出功率（10的26次方瓦特）用于通讯，III型文明能够把一个星系的输出功率（10的36次方瓦特）用于通讯。那么我们现在是什么级别呢？0.72型，连I型都还没达到。不过考虑到1900年的时候我们还只是0.58型的文明，这个进步速度已经很快了。也许再过几百年，人类就能进入I型文明。

把这个视角转移到国家之间，我们就会发现，科技水平是国家实力、人民生活水平的最本质的标志。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。

村夫遥星

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。

日常生活中反映的科技水平

看完这些统计数据，再来谈老百姓的日常生活。现在一个典型的中国中产家庭拥有这些物质财富：房子，汽车，计算机，智能手机，大屏幕电视，空调，冰箱，洗衣机，多种家具、衣服等。在这些服务业上花费不菲：教育，医疗，养老，餐饮，电商，娱乐，旅游，健身，美容等。享受这些公共设施：高速公路，高速铁路，飞机场，电信，医院，学校，绿地，剧院等。还有软环境：良好的治安，高效的政府服务，快捷的物流等。这样的生活和美国中产家庭有多大区别？区别不大。中美中产家庭生活的相似之处远远多于不同之处。

区别总是有的，如美国人赚钱更多，买高档汽车更容易，出国旅游更方便，飞机场更多，如果能进名牌大学，就能受更好的教育。不过中国占优势的地方也不少，如治安普遍更好，高铁网络更发达（美国还没有高铁呢），中餐更好吃（美国大部分的饭店就是悲剧），电信网络覆盖度更高（中国有村村通，美国在不赚钱的地方就不通）。2014年，中国人和美国人的预期寿命分别是75.15岁和79.56岁（美国中央情报局world fact book的数据）。总体而言，中美中产阶层的生活属于同一级别。不同之处属于各有千秋，而不是瞠目其后。从收入看来似乎相差很多（中国的人均GDP只有美国的1/7），但实际生活质量却相差不远。这是因为中国的中产比例低于美国（但中产人口高于美国），也因为美国的贫富差距比中国大，少数的富人拿走了太多的资源，还因为美国是一个高成本的生活体系，消费效率比中国低（见郭晓明《物质循环的世界》第19节）。

中星9号直播卫星覆盖图

村夫遥星

星空与导弹

问：中国发了这么多所谓高档次论文，对生活有什么影响？纯粹是骗经费的！

答：这也是一种很典型的观点，它反映了很多人的浅薄和傲慢。

首先，人类的追求不只有物质生活，好奇心与求知欲也是基本价值。超越功利的理性思维是一种高尚的乐趣。你完全可以低头看路，但不要冷嘲热讽那些仰望星空的人。

其次，基础研究决定了人类能够达到的上限。弓箭用得再好，也无法对抗导弹。《三体》里三体人用智子扰乱地球人的粒子物理实验，阻止了地球人粒子物理的发展。由于粒子物理是一切物质科学的基础，地球人就被锁定在了当前的水平上。其实三体人的科技水平并不比地球人高太多，可能只高一个级别，在神级文明看来两者都是秒杀的对象，但高这一级就足以碾压地球人了。

再次，基础研究的效果要通过应用研究、生产试验、工业生产等多个环节，才能传导到日常生活。确实不是立竿见影，但这绝不是轻视基础研究的理由。正如罗兰在《为纯科学呼吁》中所言：“难道我们总是匍匐在尘土中去捡富人餐桌上掉下来的面包屑，并因为我们有更多的面包屑而认为自己比他更富裕吗？但我们忘记了这样的事实：他拥有面包，这是所有面包屑的来源。”当然，中国的传导机制还不够通畅，成果传化率还不够高，在这方面有很多需要改进的地方。

然后，中国的基础研究已经对生活产生了重大影响。袁隆平的杂交水稻、李振声的杂交小麦养活了全世界数以亿计的人口，屠呦呦等人的青蒿素拯救了全世界数以百万计的疟疾患者，师昌绪的材料学研究大大提升了航空发动机的性能，徐光宪的稀土化学研究是中国稀土工业的基础。看不到这些的人，是自己目光如豆。

最后，骗经费的人有没有？有，例如伪造“汉芯”的陈进。我们对骗子及相关负责人处理太轻，这确实是很令人气愤的，需要大力加强打击学术不端的力度。但合理的结论是打击假的，支持真的，有些人却要把孩子连洗澡水一块倒掉，那就太荒谬了。

诺贝尔奖情结

问：中国为什么还没人得诺贝尔自然科学奖？

答：其实得过了，杨振宁、李政道1957年拿奖时还是中国国籍。当然，如果把问题改成“为什么还没有新中国培养的人得诺贝尔自然科学奖”，那就是一个很有意义的问题了。对此简短的回答是：不要急，会得的。诺贝尔奖授予的是经过检验、得到公认的成果，往往是几十年前做出来的。日本近年来多次获奖，是因为日本在20世纪80、90年代科研经费高速增长，获奖者的成就大多是那些时候做出的。中国现在已经有了一些非常重要的成果，如薛其坤等人发现量子反常霍尔效应，杨振宁认为这是诺贝尔奖级别的，而且还在不断产生新的重要成果，如最近的预测和发现外尔费米子。可以确信，几十年后一定会出现中国科学家获奖的高潮。至于具体什么时候得，谁因为什么成就得，那就很难预测了。

重要的是，现在的基本图像是百花争艳，不能确定哪一朵最先绽放，而不是只有一两朵，即使绽放了也不代表春天到来。在诺贝尔奖问题上，有些人处于悲观的极端，认为中国永远得不了（体制问题！），而另一些人处于愤世嫉俗的极端，声称诺贝尔奖纯粹是西方的阴谋。这话用来说和平奖、文学奖或许可以成立，但用来说自然科学奖就离谱了。不要吃不到葡萄就说葡萄酸，耐心点，自信点。葡萄是甜的，而且你必然有吃到的那一天。

诈唬也是一种战术？

问：听说过去几年美国突破了许多关键性技术，中美实力差距再度拉开了？

答：这种说法是典型的以偏概全。中美这样的大国，都不断有许多进步。只提美国的进步，假想中国停着不动，才会得出这种离谱的结论。固然可以举出美国突破的许多关键技术，但同样可以举出中国突破的更多关键技术。对于这么大规模的问题，凭印象举几个例子是不够的，需要定量统计。前面列举的各种数据就是统计。任何没有预设结论的观察者都会看出，中美差距是在缩小而不是拉大。相信这种奇谈怪论的，说到底是对科技了解太少，对美国迷信太多。即使出于亲身体验对中国有了些信心，但信心还很微弱。一听到有人鼓吹美国不可战胜，第一反应就是习惯性的相信，膝盖立刻就软了。败军之气，累世而不复，说的就是这种心态。治疗方案：多学习。

俄罗斯的正面与反面

问：俄罗斯的国际论文发的少，是因为他们不屑于在英文杂志上发文章。俄罗斯的科技比我们强得多！更加以人为本！中国的高档次论文超过俄罗斯，是耻辱而不是荣耀！

答：这也是一种典型的错误论调，错误在于混淆增量和存量。如前所述，我们爆炸式发展的时间还比较短，某些领域科技的存量可能还不如其他一些国家，这其中最典型的就是俄罗斯。但是在各种增量指标上，我们远超俄罗斯。这无论如何都是好事，把这当耻辱的人，心态太扭曲了。

俄罗斯的优势基本只剩军工、航天和资源开采，这都是苏联时期的老本。在其它大多数领域，俄罗斯已经显著落后于中国。一个非常有讽刺性的例子是，中国一汽与俄高尔基汽车集团成立合资企业，在米亚斯乌拉尔汽车制造厂组装解放牌卡车。一汽是当年苏联援建的，结果现在老师不会造汽车了，只好请学生帮忙。就像《倚天屠龙记》第24回里，张三丰听说少林派被灭时，把百年前郭襄送给他的演示罗汉拳的铁罗汉交给俞岱岩：“你日后送还少林传人，就盼从这对铁罗汉身上，留传少林派的一项绝艺！”

苏联解体后经济崩溃，俄罗斯科学界遭受了一场大劫难，许多科学家不得不离开了科研，或离开了自己的国家。普京上台后虽然有所改善，但投入仍然很不足。我认识的一位经常访问俄罗斯的老师说，俄国的科研人员大都是50—70岁的，年轻人很少。因为科研的收入太低，年轻人大都在外面打两份三份甚至五六份工，编程序之类。这样还愿意搞科研的，只能说是真爱了。科研人员外流很严重。再过10-15年，老的退了，新的补不上来，要完的节奏。中国的情况正相反，每年毕业的博士硕士是世界第一多，在学术圈内找工作成了一大难题。好的高校、研究所的位置基本都填满了，以前名不见经传的单位也在快速提高标准。

有人说搞科研不需要很多钱，俄罗斯仍然有很多成就，举出俄罗斯数学家格里戈里·佩雷尔曼的例子。他证明了庞加莱猜想，却是个避世隐居的怪人，从来不拿国家的研究经费，连数学界的最高荣誉菲尔兹奖都拒绝去领。但是这个例子很偏颇，因为数学和物理、化学、生物这些自然科学不一样，数学命题无法用实验来证明，只能靠数学家的头脑。所以无论钱多钱少，所有的数学家都处于同一起跑线上。这也能解释为什么数学方面的民科特别多，宣称自己证明了哥德巴赫猜想的不计其数。自然科学就不是这样，实验是对理论最终的判决，而现代的实验是非常烧钱的。拿个试管在自己家里就能做出重大发现的时代，早就过去了。粒子物理的加速器花钱是以百亿元计的。即使你只做理论，不做实验，现代的理论研究也往往需要大量的计算，我的专业理论与计算化学就是如此。这些计算不是拿纸笔能够完成的，需要很多硬件软件，这也是不菲的花费。俄罗斯由于缺人缺钱，科研每况愈下，这是明摆着的事。

至于说俄罗斯以人为本，就更是笑话了。俄罗斯人的预期寿命是70.16岁，低于中国的75.15岁，酗酒的、贩毒的、走私军火的一大堆，叶利钦时代差点连核武器都偷卖给黑帮，真是相当的以人为本哪！