从2020年最新定量指标看中国的科技实力 | 袁岚峰
如大家所知，我经常用定量的指标来分析中国科技在世界上的地位，例如我2015年的文章《中国科技实力正以多快的加速度逼近美国》以及2018年“科技袁人”节目开头的第二个视频（https://www.bilibili.com/video/BV1HW411B7QW）。
最近，有三个重要的指标体系更新了，分别是自然指数（Nature index）、美国科学与工程指标（Science & Engineering indicators）和PCT专利。从中可以发现一些有趣的新进展，在这里来跟大家分享一下。
首先来看自然指数，这是我们的老熟人了。自然指数是由国际顶级期刊《自然》（Nature）在2014年提出的，通过统计82家自然科学一流期刊上发表的文章，来评估各个国家或研究机构的基础研究产出。这个指标最大的特点是，统计的对象是一流期刊上的论文，发一篇都很不容易的那种，所以是在保证了质量的前提下来比较数量。
具体而言，自然指数给出两个指标。
一个叫做论文计数（Count），意思是一篇论文的作者中如果有一个人来自某个国家或研究机构，就给这个国家或研究机构算1分。比如说一篇文章有两个作者，分别来自中国和美国，那么就给中国和美国都算上1分。
这样做会导致大量的重复计数，所以另一个指标叫做论文份额（Share），意思是把一篇论文的总分固定为1，在所有的作者之间平均分配。比如说一篇文章有两个作者，分别来自中国和美国，那么就给中国和美国都算上1/2分。显然份额比计数更重要，所以下面说的自然指数，默认指的都是论文份额。
在最新出炉的2019年自然指数国家排行榜中（https://www.natureindex.com/annual-tables/2020/country/all），第一位是美国，20152.48，第二位是中国，13566.11，第三位是德国，4545.7。美国是中国的1.49倍，中国是德国的2.98倍。第四位到第十位，是英国、日本、法国、加拿大、瑞士、韩国和澳大利亚。
跟2018年相比，前十位的国家和顺序是一样的。其实自从自然指数提出以来，前三位一直是美中德这三国，没有变过。只是在第四位有英国和日本交替，竞争很激烈。
2018年自然指数前十位国家
对全世界来说，最基本的变化是，中国在迅速追赶美国。2013年，美国的自然指数大约是中国的3.6倍（https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1289059）。
2013年自然指数前十位国家
当时说到中国的科研产出仅次于美国，评论区里大多数人的反应是不信。
正如《道德经》的名言：“下士闻道大笑之，不笑不足以为道！”在6年里，这个差距已经缩小了一半多，从3.6倍变成了1.5倍。现在说中国的科研产出仅次于美国，相信的人就会多得多了。
2019年相对2018年，中国的自然指数上升了15.4%，美国下降了4.2%。如果这种趋势继续下去，几年之内中国可能就会超过美国。当然，这只是万里长征的第一步。当总量超过之后，我们追求的就会变成人均了。
自然指数分析的学科分为四个领域：化学、地球与环境科学、生命科学、物理科学。请注意，没有数学。这四个领域构成了狭义的自然科学，即经验科学。它们的正确错误归根结底是通过实验来判断的，而不是像数学那样通过逻辑推理。下面，我们来看一下这四个领域的国家排名。
在化学方面，前三位是中国、美国、德国。请注意，在这个领域中国高于美国，是美国的1.5倍。这跟我介绍过的其他指标如“研究前沿”的结论是一致的，中国现在是个化学超级大国。实际上，化学在中国的整个自然指数中贡献占比高达57.6%！
在地学方面，前三位是美国、中国、英国。
在物理方面，前三位是美国、中国、德国。
在这两个领域，美国分别是中国的1.76倍和1.35倍。
在生物方面，前三位是美国、中国、英国。在这个领域美国的优势非常巨大，高达中国的5.7倍，而且绝对数值也非常高。实际上，生物在美国的整个自然指数中贡献了44.8%。
所以可以看出，化学和生物是自然指数的两个主战场。中国是因为化学做到了世界第二，美国是因为生物做到了世界第一。生命科学是中国欠账最多的领域、追赶的重点。
自然指数排名的对象不但有国家，还有研究机构。下面，我们来看研究机构的排名（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01230-x）。
排第一的研究机构是谁？答案是中国科学院（Chinese Academy of Sciences），它以1805.22的惊人数值居于世界之首（https://www.natureindex.com/annual-tables/2020/institution/all/all）。这个数值如果是一个国家的话，那么它介于法国和加拿大之间。也就是说，全世界只有6个国家的自然指数高于中国科学院。分学科来看，在化学、地学和物理领域，中国科学院都是世界第一，只在生物领域是世界第五（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01227-6）。
排第二的研究机构是美国的哈佛大学（Harvard Univiersity），它的数值是925.15，大约是中国科学院的一半。它在生物领域高居世界第一，在化学、地学和物理分别是第33、第30和第6位。
排第三的研究机构是德国的马克斯·普朗克学会（Max Planck Society），相当于德国的科学院。它的数值是764.83，大约是中国科学院的42%。马普学会也是一个历史悠久、声名卓著的研究机构，在化学、地学、生物和物理的排名分别是第5、第44、第4和第2位。
自从自然指数提出以来，研究机构的前三位也没有改变，一直是中科院、哈佛大学和马普学会，刚好是中美欧的三个代表。再往下，从第四位到第七位是法国的国家科学研究中心（CNRS）、美国的斯坦福大学（Stanford University）、美国的麻省理工学院（MIT）、德国的亥姆霍兹国家研究中心联合会（Helmholtz Association of German Research Centres）。
第八位，有意思的来了，是我所在的中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）。这是中国的大学头一次达到这么高的位置。再仔细看看，前面七位中的大学只有哈佛、斯坦福和MIT这三个，所以科大在全世界大学中的排名达到了惊人的第四位。
科大的学科分布也非常有意思。在化学领域高居世界第二，仅次于中科院。在地学和物理领域，分别处于第17和第10位。而在生物领域就很不好意思，连前100都排不进去。这也正是整个中国科学界的一个缩影啦！
还有一点值得解释的是，中国科学院的自然指数世界第一，其实很正常。因为它是一个巨无霸机构，有100多家科研院所，正式职工7.1万余人，研究生6.4万余人（http://www.cas.cn/zz/yk/201410/t20141016_4225142.shtml）。
而科大的规模在著名大学中是比较小的，只有1812名教职员工和大约16000名学生，其中博士研究生1900人（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01230-x）。以这么少的人做出这么多的成果，这才是真正惊人的。
再往下，第九位是英国的牛津大学（University of Oxford），第十位是中国的北京大学（Peking University）。跟2018年的前十位相比，科大和牛津是新上榜的，英国的剑桥大学（University of Cambridge）和日本的东京大学（The University of Tokyo）被挤出去了。
解读完了自然指数，下面我们来看美国的科学与工程指标。这些指标是由美国的国家科学委员会（National Science Board）提出的，每两年公布一次。
他们主要关注的是美国的状况，同时在许多地方也会跟其他国家对照。跟美国最有可比性的是谁呢？当然就是中国喽。所以，我们在这个报告中也会看到中国的不少数据（图和数据都可以在https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/data下载）。其中有些非常有趣，在这里跟大家分享一下。
报告中的图11（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-r-d），列出了研发投入从2000年到2017年的变化。中国在上面是一条陡峭上升的线，2017年以4960亿美元仅次于美国的5490亿美元，排在第二位。整个欧盟的4301亿美元，都在中国后面。
图12展示，从2000年到2017年，全世界的研发支出增长中，中国占了32%。这个比例高于美国的20%和欧盟的17%，是全世界最高的。
图13展示，从2000年到2017年，中国的年均研发支出增长率高达17.3%，也是全世界最高的。第二位是韩国的9.8%，第三位是印度的8.0%（到2015年），欧盟和美国分别是5.1%和4.3%。
图15展示的是研发支出占GDP的比例，即研发强度。从2000年到2017年，中国的研发强度从0.89%增长到了2.15%。这是很大的进步，不过还是低于美国的2.81%、日本的3.21%和韩国的4.55%，仅仅比欧盟的1.97%高一点。这个图上让人最纳闷的是印度，其他地区的研发强度好歹都在增长，印度却从2000年的0.74%下降到了2015年的0.62%，——三哥你是认真的吗？！
图15
图21（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-science-and-technology-capabilities）展示了若干主要经济体的科学与工程论文占世界的比例。这里统计的论文来自一个名叫Scopus的数据库，包括2万多家期刊，而不是像自然指数那样只统计82家一流期刊上的论文。
从2000年到2018年，中国的论文比例从5%暴增到21%，以国家而论超过了美国的17%，位居世界第一，只低于欧盟的24%。这三巨头的总和达到了62%。下面三家贡献较多的是印度5%、日本4%和韩国3%，世界其他地区只有27%。俄罗斯、巴西、加拿大、澳大利亚等等不禁要问：我们不配拥有姓名吗？！
图22，整个报告中最有趣的地方来了。如果单说中国发表的论文最多，许多人立刻会说，这些论文都是灌水的！如何回答这种问题呢？当然，前面说的自然指数就是一个回答，因为那里统计的论文都是在一流期刊上发的。在这里，美国国家科学委员会设计了另一个指标。
一篇论文的被引用数量如果排在前1%，可以作为好论文的一个证据。在所有的这些引用前1%的论文中，一个国家所占的比例，除以这个国家在所有论文中所占的比例，就相当于这个国家论文质量的一个度量。我们姑且把这个指标称为论文质量指数。根据定义，整个世界的论文质量指数就是1。如果一个国家的论文质量指数大于1，就说明这个国家的论文平均水平高于世界平均水平。
2016年，美国和欧盟的论文质量指数分别是1.88和1.30。这很合理，它们俩显然应该大于1。那么，中国是多少呢？
我原本以为，为了保持全世界的数值为1，中国的数值应该小于1。没想到图22告诉我，中国的数值是1.12！中国居然也高于1！更具体的随时间变化，中国是从2000年的0.37上升到了2016年的1.12。
这令我大吃一惊，感到很迷惑：世界三大论文产地的质量指数都大于1，那么谁小于1？大家都高于平均，那么保持生态平衡这个光荣的任务交给谁？
仔细研究图22，我终于搞明白了这是怎么回事。韩国、日本、印度的论文质量指数分别是1.02、0.88和0.70，虽然比中国低，好歹还在1附近。但是别忘了，世界还有一个没有姓名的“其他地区”。
图21告诉我们，其他地区的论文产出占了27%。图22没有告诉我们其他地区的论文质量指数，但根据已知的数据，可以算出美国、欧盟、中国、印度、日本、韩国的前1%论文占世界的比例分别是31.96%、31.2%、23.52%、3.5%、3.52%和3.06%，它们的总和是96.76%。由此可见，其他地区以27%的总论文，只产生了3.24%的前1%论文。3.24除以27，得到其他地区的论文质量指数是——0.12。
所以我们明白了，中美欧三巨头之间相比，论文质量只是稍有差距，但那些没有名字的地区跟三巨头相比，就是断崖式的下降。那些地区的论文，几乎全是水货。
我把这个发现告诉了许多专家朋友，他们纷纷用自己给某些国家的文章审稿的经历来佐证。例如有人指出，审过某国的论文，纯粹灌水，一查发现相同的内容已经发了好多篇了，很果断地拒了……大家可以想想，这是哪些国家？提示一下，人口大国往往是灌水大国哦。
这说明世界上有很多人，还根本没有学会怎么做研究。这些国家如果有比较像样的论文，那么大都是国际合作来的。老司机带带我，是很有必要的！
说到国际合作，这又是美国国家科学委员会这份报告中的一个主题（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-science-and-technology-capabilities）。你猜，美国科学家合作最多的是哪个国家呢？回答是中国。2018年，美国有39%的论文是国际合作的，其中26%是跟中国合作的。
自然指数的网站也有国际合作的统计（http://www.natureindex.com/country-outputs/collaboration-graph）。从中可以看到，中国和美国科学家最经常合作的都是对方。
中国的十大合作国家
美国的十大合作国家
老大跟老二即使斗个不停，合作仍然是最多的，这就是世界的一个真相。
以上说的都是科研方面的数据，下面来看一些工业方面的数据。图24给出了高研发强度工业的产出。什么叫做高研发强度的工业呢？这里给出的范围是：飞机制造，制药，计算机、电子与光学产品，计算机软件，以及科学研发。从2003年到2018年，美国在这些领域的产出从5700亿美元增长了到10400亿美元，不过份额从38%下降到32%。同时，中国的份额从6%增长到了21%。
然后，图25给出了中高研发强度工业的产出。什么叫做中高研发强度的工业呢？这里给出的范围是：化工（不包括制药），交通装备（不包括飞机），电力和其他机械装备，信息技术服务，以及科学仪器。从2003年到2018年，美国在这些领域的产出从6000亿美元增长到了12500亿美元，不过份额从25%下降到22%。同时，中国的份额从7%增长到了26%。
下面来看专利数据。图26显示（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/invention-innovation-and-perceptions-of-science），中国的同族专利（patent families）占了全世界的49%，美国只有6.8%。这个数据让我吃了一惊，连忙去请教我的朋友、知识产权专家沈泳律师。
首先，什么叫做同族专利呢？
由于专利有地域性，所以一个企业往往要在不同国家或地区申请多个内容基本相同的专利。例如某一年在中国申请的某个专利，在一年内可以在中国要求国内优先权，也可以在一年内通过《巴黎公约》进入公约成员国，也可以在30至32个月内通过《专利合作条约》（PCT）进入PCT成员国。这些通过优先权相关联的专利，就叫做同族专利。
下一个问题是，中国占了同族专利的将近一半，说明什么呢？
说明中国在一系列新兴产业里有优势，这些产业的专利布局积极性远高于传统产业。同时也说明，中国企业已经是在面对全球市场，而不只是国内市场。
非常感谢沈律师的讲解。2016年，我的朋友、风云学会会员陈经写了一篇文章《百强创新企业数量第一的日本为何企业经营不利？》，里面指出中国企业在这种评选中吃亏，是因为国际专利申请得太少。这才过了4年，情况居然完全反过来了，中国成了最热衷于申请国际专利的了！
由此就引出了我们要介绍的最后一个指标，PCT专利。2020年4月7日，世界知识产权组织（WIPO）公布，中国在2019年通过PCT体系申请了58990份专利，超过了美国的57840份（从1到58990，中国用27年首超美国！）。
“2019年，中国跻身国际专利申请最多的国家” WIPO网站截图
而在1993年，中国只向世界知识产权组织提交了一份专利申请。在26年间，中国从1增长到将近6万，成为了世界第一。
总结一下，多个指标都显示出，中国的科技实力整体上仅次于美国。在部分指标上，中国达到第一也丝毫不奇怪。将来的历史会记住，这是一个大赶超、大进步的时代。