中國科技實力向美逼近



 如何理解當今的世界大勢?世界和中國如何演化到現在這樣?將來會怎麼樣?要回答這些問題,就要先看清大圖景。
 科學中,不同的事實材料有不同的重要性。首先要理解和解釋那些最重要的事實,才能建立起理論體系。當然,判斷哪些事實最重要,最值得解釋,是需要洞察力的。例如愛因斯坦從測量地球在以太(編按:或「乙太」)中漂移速度的否定結果,領悟到以太根本不存在,光速在所有慣性參照系中都相等,以此為基礎建立起了狹義相對論的大廈。
 那麼,人類社會哪些事實是最重要的?對於這個問題,我們不妨這樣想:如果有外星人在觀察地球,他們會首先關注我們的什麼?或者我們發現了一個外星文明,我們最先想知道的是他們的什麼?

科技與文明等級
 答案很明顯,是科技水平。
 高等級的文明遇到低等級的文明,就是碾壓。在同一等級的文明之間,即使政治制度、意識形態、文化傳統相差很遠,還是可以平等對話的。如果我們發現一個外星文明處於冷兵器時代,我們不會緊張,該擔心的是他們。如果發現他們會使用不可控的核聚變(即氫彈),跟我們並駕齊驅,我們就要認真對待了。如果發現他們會可控核聚變,會星際航行,那我們只好祈禱他們是善意的了,因為他們要消滅我們只是舉手之勞。
 1964年,蘇聯天體物理學家尼古拉.謝苗諾維奇.卡達謝夫(Николай Семёнович Кардашёв)提出了「卡達謝夫標度」,用一個文明能夠用來通訊的功率衡量這個文明的技術水平。按照他的標度,I型文明能夠調集與整個地球的輸出功率(10的15次方至16次方瓦特)相當的能量用於通訊,II型文明能夠把一顆恆星的輸出功率(10的26次方瓦特)用於通訊,III型文明能夠把一個星系的輸出功率(10的36次方瓦特)用於通訊。那麼我們現在是什麼級別呢?0.72型,連I型都還沒達到。不過考慮到1900年的時候我們還只是0.58型的文明,這個進步速度已經很快了。也許再過幾百年,人類就能進入I型文明。
 把這個視角轉移到國家之間,我們就會發現,科技水平是國家實力、人民生活水平的最本質的標誌。當今世界科技水平最高的國家顯然是美國。中國的科技水平處於什麼位置呢?

基礎研究的論文與期刊
 更詳細地說,科學技術分為基礎研究、應用研究、工業技術、生產經驗等多個層次。各個層次之間既有密切的聯繫,也可以有一定程度的不同步。筆者從事理論與計算化學的基礎研究,所以先在這裡介紹一下基礎研究的現狀。
 基礎研究的成果,在絕大部分情况下表現為學術論文,發表在科學期刊上。但其實不同的論文之間水平相差很遠,科研人員對論文質量的重視程度遠遠超過數量。如何評價論文的質量?世界上的論文早已汗牛充棟;簡單而有效的辦法是看它發表的期刊。
 在現代科研體系中,文章不是作者想發就能發,而是由刊物的編輯和審稿人把關的。世界上有數以萬計的科學期刊,不同的期刊之間審稿標準相差很遠,好比奧運會和學校運動會的區別。學校運動會裡會不會有世界冠軍?原則上是有可能的,但這個可能性非常小,大多數人還是玩票的。而能參加奧運會的選手,即使你不知道他的具體成績,但也可以相信總是達到了相當高的水平。
 我們再來解釋一下雜誌「好」的程度。英國的《自然》(Nature)和美國的《科學》(Science)是兩家著名的頂級期刊,它們的文章範圍涵蓋整個自然科學。有一些聲名卓著的雜誌涵蓋整個一級學科,如《物理評論快報》、《美國化學會誌》、《德國應用化學》、《化學科學》。又有一些質量很高的雜誌覆蓋一個二級學科,如《有機化學通訊》、《高能物理雜誌》。再往下,門檻越低,雜誌越多。這是一幅學術金字塔的圖像。把哪些雜誌稱為一流是有一定任意性的,但科研工作者的共識比歧見多得多。

自然指數
 近年來,《自然》的發行者自然出版集團提出了一套衡量國家或研究機構基礎科研產出的指標,稱為自然指數。他們挑選了68家一流期刊,統計每個國家或研究單位在這些期刊上發表多少論文。這是最基礎的指標,他們稱之為文章計數(article count,AC)。這並不是說不在這68家雜誌上的文章都不好,也不是說這68家雜誌上的文章都很好;但畢竟,在這68家雜誌中出現重要文章的概率比在其它雜誌上大得多。所以作為一個對大量樣本的統計,選取這68家期刊是可以接受的。
 當代科學合作很頻繁,所以他們又做了進一步的分析,把一篇文章平均分給每個作者,再根據每個作者的地址信息確定每個國家或單位占多少份額,稱為分數計數(fractional count,FC)。比如一篇文章有兩個作者,一人來自中國,一人來自美國,那麼中美就各得到0.5的FC。此外,在這68家期刊中的天文學論文占世界所有天文學論文的比例大約是其它學科的5倍,因此他們又把天文學論文的權重乘以0.2,把FC調整成加權的分數計數(weighted fractional count,WFC),作為最重要的評判指標。這套做法在細節上當然還有很多可以商榷或改進的地方,但基本思路是合理的,參考價值比較高。
 2014年12月,自然出版集團公布了2014年(實際上是2013年12月至2014年11月)的統計結果。美國的WFC排第一,18,643。中國大陸第二,5,206。德國第三,4,077。四到十位是日本、英國、法國、加拿大、西班牙、瑞士、韓國,從3,371到1,151。超級大國蘇聯的繼承者俄羅斯不在前十之中。可以看出美國非常強大,WFC是中國大陸的3.6倍。但大陸排第二,達到德國的1.3倍、日本的1.5倍,也相當不錯。
 以上結果對科學界之外的人來說可能有點意外,但對科研工作者來說很正常,因為符合我們的日常感覺。僅僅十多年前,大陸的一流文章還非常少見,有一篇就顯得很高大上了。進入21世紀以來,大陸科技論文的數量和質量都出現了爆炸性的增長,對人才的標準也一路水漲船高。現在想在科大這樣的單位獲得副教授職位,五篇一流文章算是起步價。出門介紹研究成果,如果不是這種量級的,簡直不好意思跟人打招呼。
 美國的一流和二流大學的研究水平是非常高的,隨便拎出一個教授來都是響噹噹的人物,還有一大撥諾貝爾獎得主。是的,不少諾貝爾獎得主是在美國二流大學工作的。不是很久(十年?)以前,中國大陸大學的研究水平整體而言跟美國還相差太遠。不過大陸的進步非常快,現在一流大學的研究水平我覺得已經接近美國的二流大學了。至少人們的期待值發生了變化,大陸的研究單位作出世界一流的成果,被看成理所當然的事了。進步也表現在廣度上,現在連一些二流院校都不時發一篇《自然》、《科學》了。
 中國大陸的上升勢頭之猛,可以從各國2014年與2013年WFC的對比上看出來。美國下降0.8%,德國上升1.0%,日本下降2.3%,英國上升0.9%,然後六到十位的法國、加拿大、西班牙、瑞士、韓國都是下降的。中國大陸呢?上升14.9%!
 然而這還沒完。自然出版集團的WFC數據是每月更新的。現在顯示的是從2014年6月到2015年5月的統計。僅僅半年時間裡,中國大陸的WFC又增長25.7%!與此同時,美國下降6.4%;德國下降3.4%。在半年時間裡,美國對中國大陸的比例從3.6縮小到2.8,大陸對德國的比例從1.3擴大到1.6!(編按:截至截稿前,WFC已更新到2014年10月至2015年9月。美國與大陸差距繼續縮小為2.6倍。)
 還有另外一個維度可以考察一下。前面說的WFC來自對68個一流期刊的統計,但這些期刊的學術地位並不相等,好比《射雕英雄傳》裡的裘千仞和王重陽都算一流高手,但王重陽還是比裘千仞厲害不少。《自然》和《科學》的學術聲譽和發表難度比其它大多數一流期刊更高,我們可以把它們作為頂級期刊的代表。
 自然出版集團也給出了只限這兩個雜誌的WFC,我們姑且把它作為頂級論文指標。從2014年6月到2015年5月,國家中最高的是美國(860),然後是英國(144)、德國(116)、法國(67),中國大陸(58)只排在第五位。研究單位中最高的是哈佛大學(75),而中國科學院(17)只排到第十五位。這裡固然有《自然》與《科學》對英美特別照顧的因素,不過也反映出大陸在頂級論文中的地位比在一流論文中低一截。換句話說,就是我們的優勢主要在於次頂級的成果。

五大知識產權局的專利數據
 基礎研究的產出可以用科學論文度量;下面我們再來看應用技術的產出,用專利度量。
 世界五大知識產權局是歐洲專利局、日本特許廳、韓國特許廳、中國國家知識產權局和美國專利商標局,五局處理了世界80%的專利申請,承擔了專利合作條約95%的工作。
 專利分為發明專利、實用新型專利和外觀設計專利,顯然發明專利是與科技水平相關程度最高的。2014年發明專利申請最多的是中國大陸,高達92.8萬件,占了40%!其次是美國,57.9萬件。日本、歐洲、韓國分別是32.6、27.4和21.0萬件。這是中國大陸連續第四年居於發明專利申請量第一的位置。跟2013年相比的增速,大陸也是最高的,達到12.5%。美日歐韓的增速分別是1.3%、-0.7%、3.1%和2.8%。
 再來看發明專利的授權。2014年五局共授權了95.54萬件發明專利,其中最多的是美國,30.1萬件,占31%。其次是中國大陸,23.3萬件。日本、韓國、歐洲分別是22.7、13.0和6.5萬件。大陸的增速12.3%最高;美日韓歐的增速分別是8.2%、-18.0%、1.9%和-3.1%。
 有一點需要注意的是,每個知識產權局的申請人都來自全世界,不只是自己國家。

研發人員與經費
 再來看大陸在研究上的投入。科技部出版的《中國科技人才發展報告(2014)》顯示,2013年中國大陸的研究與發展(R&D)人員總數爲353.3萬人,超過美國,居世界第一位。
 根據國家統計局的《2014年國民經濟和社會發展統計公報》,2014年中國大陸的研究與試驗發展經費支出為13,312億元,比2013年增長12.4%,占國內生產總值(GDP)的2.09%,相當於2,150億美元。根據世界銀行的數據,前文中2014年WFC世界前十位的國家在2012年的R&D支出占GDP比例是:中國大陸1.98%,美國2.79%,德國2.92%,日本3.39%(2011年),英國1.72%,法國2.26%,加拿大1.73%,西班牙1.30%,瑞士3.41%,韓國4.04%(2011年)。中國大陸的比例處於中等偏低,不過在較快地上升中。世界經濟合作與發展組織在《經合組織2014年科學技術與工業展望》中預測,大陸的研發支出將在2019年前後超過歐盟和美國,躍居世界首位。

日常生活中反映的科技水平
 看完這些統計數據,再來談老百姓的日常生活。現在中國大陸一個典型的中產家庭擁有這些物質財富:房子、汽車、電腦、智慧型手機、大屏幕電視、空調、冰箱、洗衣機、多種家具、衣服等。在這些服務業上花費不菲:教育、醫療、養老、餐飲、電商、娛樂、旅遊、健身、美容等。享受這些公共設施:高速公路、高速鐵路、機場、電信、醫院、學校、綠地、劇院等。還有軟環境:良好的治安、高效的政府服務、快捷的物流等。這樣的生活和美國中產家庭有多大區別?區別不大。中美中產家庭生活的相似之處遠遠多於不同之處。
 區別總是有的,如,美國人賺錢更多,買高檔汽車更容易,出國旅遊更方便,機場更多,如果能進名牌大學,就能受更好的教育。不過大陸占優勢的地方也不少,如治安普遍更好,高鐵網絡更發達(美國還沒有高鐵),電信網路覆蓋度更高(大陸有村村通,美國在不賺錢的地方就不通)。2014年,中國大陸和美國人的預期壽命分別是75.15歲和79.56歲。
 總體而言,中美中產階層的生活屬於同一級別。不同之處屬於各有千秋,而不是瞠乎其後。從收入看來似乎相差很多(中國大陸的人均GDP只有美國的1/7),但實際生活質量卻相差不遠。這是因為大陸的中產比例低於美國(但中產人口高於美國),也因為美國的貧富差距比中國大,少數的富人拿走了太多的資源,還因為美國是一個高成本的生活體系,消費效率比中國低(見郭曉明《物質循環的世界》第19節)。

工業技術水平
 再來看生產中的技術水平。第四代戰鬥機,美國有已服役的F-22和F-35,中國大陸有試驗中的殲-20和殲-31。航空母艦,美國有11艘核動力航母,大陸只有一艘從買來的瓦良格號改建的遼寧艦,蒸汽動力;據說國產航母正在建造。衛星導航系統,美國有GPS,中國有北斗。導彈防禦系統,中美都有。導彈打衛星,中美都有。彈道導彈打航母,只有中國有。有源相控陣雷達,中美都有。預警機,中美都有,中國的更先進(編按:有源相控陣雷達在原理上比無源先進)。超高音速飛行器,中美都在試驗中。空間站,美國、俄羅斯等16國共用國際空間站,中國有天宮。太空探索,美國的探測器登陸火星,中國只到月球。
 芯片,美國有Intel、AMD,中國大陸只有龍芯、華為麒麟。操作系統,美國有Windows、iOS、安卓,大陸沒有像樣的代替物。電信,美國有思科,大陸有華為、中興。4G標準,美國有FDD-LTE,大陸有TD-LTE。搜索引擎,美國有谷歌,大陸有百度。電子商務,美國有亞馬遜、eBay,大陸有阿里巴巴、京東。社交媒體,美國有臉書、推特,大陸有微信、微博。汽車,美國有通用、福特、克萊斯勒,大陸只有奇瑞、吉利、長城。電動汽車,美國有特斯拉,大陸有比亞迪。手機,美國有蘋果,大陸有華為。高鐵,美國還沒有,中國大陸占世界一半以上。大飛機,美國有波音,大陸的商飛正在研製C919。液晶顯示,美國幾乎沒有,大陸有京東方……。
 這個名單可以列很長。基本的特點是,大多數領域美國領先,但差距在縮小中。也有些領域中國大陸領先,如預警機、火力發電。有些領域美國占壓倒性優勢,也有些領域中國占壓倒性優勢。
 能在幾乎所有領域和美國正面對抗,而且還互有攻防的,世界上只有中國一家。其他西方國家由於體量較小,又缺少國家意志,在四代機、搜索引擎、電子商務、社交媒體、手機等領域基本都放棄了。日本放棄得更多,除這些以外,還有電信標準、導航系統、大飛機等。俄羅斯只能抓軍工和航天,在大部分領域裡,都退出競爭。只有中國在全面發力,在每場競賽中都不缺席。
 這裡有一件很有趣的事。一個選手如果只參加幾場比賽,取得了好成績,那麼人們一般就只稱讚他。而另一個選手出現在所有的賽場上,在大部分賽場上都排在前五位,就經常被人批太弱了!對中國大陸,大家批的是:爲什麼汽車不如德國?芯片不如美國?機器人不如日本?液晶不如韓國?這種批評背後的意思是:中國應該在每一個領域都做到第一,否則就是失敗。
 其實任何國家都不可能在所有領域都是第一,這是個脫離實際的要求。怎麼不提德國的社交媒體不如美國,美國的高鐵不如日本,日本的手機不如韓國,韓國的太多東西不如中國?
 不過這個脫離實際的要求也有正面意義,就是說明中國人民自我期許極高。面對困難,我們總是認為內因是主導因素,自己搞好了就沒有過不去的檻。這其實是大國特有的一種自信。大國的這種自信,多次使大國的人民煥發出不可思議的勇氣和創造力。
 有一點值得注意的是,論文和專利表示的是科技的增量,而不是存量,正如GDP表示的是財富的增量,而不是存量。由於大陸爆炸式發展的時間還比較短,科技和財富的存量可能還不如其他一些國家,換句話說就是那些國家還有老本可以吃。
 但是在各種增量指標上,中國大陸都已經是數一數二的了。而在這些增量指標的增速上,即增量的增量,大陸毫無懸念是世界第一;其他國家不下降就不錯了。這是因為大陸的經濟在快速發展,科技投入在快速增加,即使其它條件都不變,科技產出也會快速上升的。

中國量子信息的成功之路
 量子信息現在是一個非常熱的概念,大家都知道中國大陸的量子信息搞得很好。
 量子信息的應用分為量子計算和量子通信兩大部分,前者比後者的技術難度高得多。量子計算在理論上可以解决很多現在無法解决的問題,或大大加強現有的計算能力,如加速對無結構數據的搜索,模擬真實的量子體系,通過對大整數的質因數分解破解最常用的密碼體系。
 科學家提出了若干種量子計算的實驗方案,但目前還沒有一種達到實用程度的,都只能做一些算法的演示。例如對於因子分解,傳統算法的計算量隨位數的變化是指數增長,而量子算法只是多項式增長。這意味著什麼呢?分解一個5000位的數字,經典算法(「經典」是跟「量子」相對的詞)需要50億年的時間,量子算法卻只需要2分鐘!但這麼美妙的事只是理論,只是潛在的可能性。真正在量子計算機上分解了的最大的數字是什麼?是143 =11 × 13,這是科大的杜江峰、彭新華等人在2012年實現的。
 另一方面,量子通信已經有一個應用了,稱為量子密碼術。這一個就非常了不起,它在物理原理上阻絕了泄密的可能,是真正的絕對保密。前面說的量子因子分解可以稱為最強的矛,而量子密碼就是最強的盾。最強的矛能攻破所有經典的密碼,只有最強的盾才能抵禦它。
 大陸在量子通信領域是世界領先的,多次刷新了傳輸距離的世界紀錄,有一些試驗性的政務網路已經在運行中。科大的上海研究院在研製一顆量子衛星,預計2016年發射,用來做衛星與地面之間的量子通信實驗。
 如成功,就可望建立星地一體的絕對安全信息系統,有非常高的軍事、民用價值。

文|袁嵐峰

延伸閱讀〉袁嵐峰
簡介說明〉此文節錄自作者博客,ID:中科大胡不歸,2015年8月12日;原題為〈中國科技實力正以多快的加速度逼近美國!〉,收錄於作者新近主編的《大復興》一書。
返回目錄〉2016年1月號|2卷1期

精選回顧.2016年10月號