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解读中国科技实力正以多快的加速度逼近美国

2015-08-13 12:00:06 来源: 互联网  文字大小:   [举报] 已有评论(0)

  【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。





高校与科研院所排名

  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。



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