三個指標看中國科技實力，哪些領域已趕超美國成為世界第一？| 科技袁人Lite_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2020-05-22 21:57
導讀
袁老師之前做過一期視頻為我們介紹了中國科技的地位，兩年過去了，中國的科技實力在飛速地發展，很多領域已經逐漸從追趕走向了超越。從最近更新的自然指數、美國科學與工程指標和PCT專利三項指標可以看出，中國的研發投入、科研產出數量和質量都在不斷提升，美國仍是世界科技第一強國，但中國正在以越來越快的速度縮小着差距，前進的每一步都來之不易，我們還有很多的科研工作者們在不斷地努力，相信中國和美國之間的距離會越來越小，甚至完成反超！
視頻鏈接：
https://www.bilibili.com/video/BV1mZ4y1s7Wu
部分評論：
紫涵之心
作為80後，小時候有時候會在電視的新聞節目聽到: 獲得xxx技術突破，填補了我國的一項空白
那時候我就一直在想，什麼時候才能把空白都填上啊
上學的時候知道新中國是一窮二白起家，曾經也為祖國未來悲觀過
今天回憶往事，唏噓不已啊
一斬神州
雖然自豪但感覺中美還是有不小差距，形成中美G2競爭格局主要原因不是美國衰弱了僅僅因為中國追趕速度太快了。現在就談取代美國言之過早，如果中美科技指數不能與美國拉開太大差距的話，美國靠吃老本就能吃不少年，我們要加油！
需已起伊爾伊爾
這是一期科大的硬廣，沒錯
精彩呈現：從2020年最新定量指標看中國的科技實力 | 袁嵐峯
如大家所知，我經常用定量的指標來分析中國科技在世界上的地位，例如我2015年的文章《中國科技實力正以多快的加速度逼近美國》以及2018年“科技袁人”節目開頭的第二個視頻（https://www.bilibili.com/video/BV1HW411B7QW）。
嗶哩嗶哩有人覺得中國科技太弱，因為全世界除了中國只有一個國家：“外國”
科技袁人節目彈幕
最近，有三個重要的指標體系更新了，分別是自然指數（Nature index）、美國科學與工程指標（Science & Engineering indicators）和PCT專利。從中可以發現一些有趣的新進展，在這裏來跟大家分享一下。
首先來看自然指數，這是我們的老熟人了。自然指數是由國際頂級期刊《自然》（Nature）在2014年提出的，通過統計82家自然科學一流期刊上發表的文章，來評估各個國家或研究機構的基礎研究產出。這個指標最大的特點是，統計的對象是一流期刊上的論文，發一篇都很不容易的那種，所以是在保證了質量的前提下來比較數量。
具體而言，自然指數給出兩個指標。
一個叫做論文計數（Count），意思是一篇論文的作者中如果有一個人來自某個國家或研究機構，就給這個國家或研究機構算1分。比如説一篇文章有兩個作者，分別來自中國和美國，那麼就給中國和美國都算上1分。
這樣做會導致大量的重複計數，所以另一個指標叫做論文份額（Share），意思是把一篇論文的總分固定為1，在所有的作者之間平均分配。比如説一篇文章有兩個作者，分別來自中國和美國，那麼就給中國和美國都算上1/2分。顯然份額比計數更重要，所以下面説的自然指數，默認指的都是論文份額。
在最新出爐的2019年自然指數國家排行榜中（https://www.natureindex.com/annual-tables/2020/country/all），第一位是美國，20152.48，第二位是中國，13566.11，第三位是德國，4545.7。美國是中國的1.49倍，中國是德國的2.98倍。第四位到第十位，是英國、日本、法國、加拿大、瑞士、韓國和澳大利亞。
2019年自然指數前十位國家（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01231-w）
跟2018年相比，前十位的國家和順序是一樣的。其實自從自然指數提出以來，前三位一直是美中德這三國，沒有變過。只是在第四位有英國和日本交替，競爭很激烈。
2018年自然指數前十位國家
對全世界來説，最基本的變化是，中國在迅速追趕美國。2013年，美國的自然指數大約是中國的3.6倍（https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1289059）。
2013年自然指數前十位國家
當時説到中國的科研產出僅次於美國，評論區裏大多數人的反應是不信。
典型的評論
正如《道德經》的名言：“下士聞道大笑之，不笑不足以為道！”在6年裏，這個差距已經縮小了一半多，從3.6倍變成了1.5倍。現在説中國的科研產出僅次於美國，相信的人就會多得多了。
2019年相對2018年，中國的自然指數上升了15.4%，美國下降了4.2%。如果這種趨勢繼續下去，幾年之內中國可能就會超過美國。當然，這只是萬里長征的第一步。當總量超過之後，我們追求的就會變成人均了。
2019年自然指數前十位國家的變化率
自然指數分析的學科分為四個領域：化學、地球與環境科學、生命科學、物理科學。請注意，沒有數學。這四個領域構成了狹義的自然科學，即經驗科學。它們的正確錯誤歸根結底是通過實驗來判斷的，而不是像數學那樣通過邏輯推理。下面，我們來看一下這四個領域的國家排名。
在化學方面，前三位是中國、美國、德國。請注意，在這個領域中國高於美國，是美國的1.5倍。這跟我介紹過的其他指標如“研究前沿”的結論是一致的，中國現在是個化學超級大國。實際上，化學在中國的整個自然指數中貢獻佔比高達57.6%！
2019年化學自然指數前五位國家
在地學方面，前三位是美國、中國、英國。
2019年地球與環境科學自然指數前五位國家
在物理方面，前三位是美國、中國、德國。
2019年物理科學自然指數前五位國家
在這兩個領域，美國分別是中國的1.76倍和1.35倍。
在生物方面，前三位是美國、中國、英國。在這個領域美國的優勢非常巨大，高達中國的5.7倍，而且絕對數值也非常高。實際上，生物在美國的整個自然指數中貢獻了44.8%。
2019年生命科學自然指數前五位國家
所以可以看出，化學和生物是自然指數的兩個主戰場。中國是因為化學做到了世界第二，美國是因為生物做到了世界第一。生命科學是中國欠賬最多的領域、追趕的重點。
自然指數排名的對象不但有國家，還有研究機構。下面，我們來看研究機構的排名（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01230-x）。
2019年自然指數前十位研究機構
排第一的研究機構是誰？答案是中國科學院（Chinese Academy of Sciences），它以1805.22的驚人數值居於世界之首（https://www.natureindex.com/annual-tables/2020/institution/all/all）。這個數值如果是一個國家的話，那麼它介於法國和加拿大之間。也就是説，全世界只有6個國家的自然指數高於中國科學院。分學科來看，在化學、地學和物理領域，中國科學院都是世界第一，只在生物領域是世界第五（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01227-6）。
中國科學院的自然指數總量與各學科排名
排第二的研究機構是美國的哈佛大學（Harvard Univiersity），它的數值是925.15，大約是中國科學院的一半。它在生物領域高居世界第一，在化學、地學和物理分別是第33、第30和第6位。
哈佛大學的自然指數總量與各學科排名
排第三的研究機構是德國的馬克斯·普朗克學會（Max Planck Society），相當於德國的科學院。它的數值是764.83，大約是中國科學院的42%。馬普學會也是一個歷史悠久、聲名卓著的研究機構，在化學、地學、生物和物理的排名分別是第5、第44、第4和第2位。
馬克斯·普朗克學會的自然指數總量與各學科排名
自從自然指數提出以來，研究機構的前三位也沒有改變，一直是中科院、哈佛大學和馬普學會，剛好是中美歐的三個代表。再往下，從第四位到第七位是法國的國家科學研究中心（CNRS）、美國的斯坦福大學（Stanford University）、美國的麻省理工學院（MIT）、德國的亥姆霍茲國家研究中心聯合會（Helmholtz Association of German Research Centres）。
第八位，有意思的來了，是我所在的中國科學技術大學（University of Science and Technology of China）。這是中國的大學頭一次達到這麼高的位置。再仔細看看，前面七位中的大學只有哈佛、斯坦福和MIT這三個，所以科大在全世界大學中的排名達到了驚人的第四位。
科大的學科分佈也非常有意思。在化學領域高居世界第二，僅次於中科院。在地學和物理領域，分別處於第17和第10位。而在生物領域就很不好意思，連前100都排不進去。這也正是整個中國科學界的一個縮影啦！
中國科學技術大學的自然指數總量與各學科排名
還有一點值得解釋的是，中國科學院的自然指數世界第一，其實很正常。因為它是一個巨無霸機構，有100多家科研院所，正式職工7.1萬餘人，研究生6.4萬餘人（http://www.cas.cn/zz/yk/201410/t20141016_4225142.shtml）。
中國科學院簡介
而科大的規模在著名大學中是比較小的，只有1812名教職員工和大約16000名學生，其中博士研究生1900人（https://www.nature.com/articles/d41586-020-01230-x）。以這麼少的人做出這麼多的成果，這才是真正驚人的。
自然指數網站對中國科學技術大學的介紹
再往下，第九位是英國的牛津大學（University of Oxford），第十位是中國的北京大學（Peking University）。跟2018年的前十位相比，科大和牛津是新上榜的，英國的劍橋大學（University of Cambridge）和日本的東京大學（The University of Tokyo）被擠出去了。
解讀完了自然指數，下面我們來看美國的科學與工程指標。這些指標是由美國的國家科學委員會（National Science Board）提出的，每兩年公佈一次。
2020年美國國家科學委員會的科學與工程指標報告
（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201）
他們主要關注的是美國的狀況，同時在許多地方也會跟其他國家對照。跟美國最有可比性的是誰呢？當然就是中國嘍。所以，我們在這個報告中也會看到中國的不少數據（圖和數據都可以在https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/data下載）。其中有些非常有趣，在這裏跟大家分享一下。
報告中的圖11（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-r-d），列出了研發投入從2000年到2017年的變化。中國在上面是一條陡峭上升的線，2017年以4960億美元僅次於美國的5490億美元，排在第二位。整個歐盟的4301億美元，都在中國後面。
圖11
圖12展示，從2000年到2017年，全世界的研發支出增長中，中國佔了32%。這個比例高於美國的20%和歐盟的17%，是全世界最高的。
圖12
圖13展示，從2000年到2017年，中國的年均研發支出增長率高達17.3%，也是全世界最高的。第二位是韓國的9.8%，第三位是印度的8.0%（到2015年），歐盟和美國分別是5.1%和4.3%。
圖13
圖15展示的是研發支出佔GDP的比例，即研發強度。從2000年到2017年，中國的研發強度從0.89%增長到了2.15%。這是很大的進步，不過還是低於美國的2.81%、日本的3.21%和韓國的4.55%，僅僅比歐盟的1.97%高一點。這個圖上讓人最納悶的是印度，其他地區的研發強度好歹都在增長，印度卻從2000年的0.74%下降到了2015年的0.62%，——三哥你是認真的嗎？！
圖15
圖21（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-science-and-technology-capabilities）展示了若干主要經濟體的科學與工程論文佔世界的比例。這裏統計的論文來自一個名叫Scopus的數據庫，包括2萬多家期刊，而不是像自然指數那樣只統計82家一流期刊上的論文。
圖21
從2000年到2018年，中國的論文比例從5%暴增到21%，以國家而論超過了美國的17%，位居世界第一，只低於歐盟的24%。這三巨頭的總和達到了62%。下面三家貢獻較多的是印度5%、日本4%和韓國3%，世界其他地區只有27%。俄羅斯、巴西、加拿大、澳大利亞等等不禁要問：我們不配擁有姓名嗎？！
圖22，整個報告中最有趣的地方來了。如果單説中國發表的論文最多，許多人立刻會説，這些論文都是灌水的！如何回答這種問題呢？當然，前面説的自然指數就是一個回答，因為那裏統計的論文都是在一流期刊上發的。在這裏，美國國家科學委員會設計了另一個指標。
圖22
一篇論文的被引用數量如果排在前1%，可以作為好論文的一個證據。在所有的這些引用前1%的論文中，一個國家所佔的比例，除以這個國家在所有論文中所佔的比例，就相當於這個國家論文質量的一個度量。我們姑且把這個指標稱為論文質量指數。根據定義，整個世界的論文質量指數就是1。如果一個國家的論文質量指數大於1，就説明這個國家的論文平均水平高於世界平均水平。
2016年，美國和歐盟的論文質量指數分別是1.88和1.30。這很合理，它們倆顯然應該大於1。那麼，中國是多少呢？
我原本以為，為了保持全世界的數值為1，中國的數值應該小於1。沒想到圖22告訴我，中國的數值是1.12！中國居然也高於1！更具體的隨時間變化，中國是從2000年的0.37上升到了2016年的1.12。
這令我大吃一驚，感到很迷惑：世界三大論文產地的質量指數都大於1，那麼誰小於1？大家都高於平均，那麼保持生態平衡這個光榮的任務交給誰？
仔細研究圖22，我終於搞明白了這是怎麼回事。韓國、日本、印度的論文質量指數分別是1.02、0.88和0.70，雖然比中國低，好歹還在1附近。但是別忘了，世界還有一個沒有姓名的“其他地區”。
圖21告訴我們，其他地區的論文產出佔了27%。圖22沒有告訴我們其他地區的論文質量指數，但根據已知的數據，可以算出美國、歐盟、中國、印度、日本、韓國的前1%論文佔世界的比例分別是31.96%、31.2%、23.52%、3.5%、3.52%和3.06%，它們的總和是96.76%。由此可見，其他地區以27%的總論文，只產生了3.24%的前1%論文。3.24除以27，得到其他地區的論文質量指數是——0.12。
所以我們明白了，中美歐三巨頭之間相比，論文質量只是稍有差距，但那些沒有名字的地區跟三巨頭相比，就是斷崖式的下降。那些地區的論文，幾乎全是水貨。
我把這個發現告訴了許多專家朋友，他們紛紛用自己給某些國家的文章審稿的經歷來佐證。例如有人指出，審過某國的論文，純粹灌水，一查發現相同的內容已經發了好多篇了，很果斷地拒了……大家可以想想，這是哪些國家？提示一下，人口大國往往是灌水大國哦。
這説明世界上有很多人，還根本沒有學會怎麼做研究。這些國家如果有比較像樣的論文，那麼大都是國際合作來的。老司機帶帶我，是很有必要的！
説到國際合作，這又是美國國家科學委員會這份報告中的一個主題（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/global-science-and-technology-capabilities）。你猜，美國科學家合作最多的是哪個國家呢？回答是中國。2018年，美國有39%的論文是國際合作的，其中26%是跟中國合作的。
論文的國際合作
自然指數的網站也有國際合作的統計（http://www.natureindex.com/country-outputs/collaboration-graph）。從中可以看到，中國和美國科學家最經常合作的都是對方。
中國的十大合作國家
美國的十大合作國家
老大跟老二即使鬥個不停，合作仍然是最多的，這就是世界的一個真相。
以上説的都是科研方面的數據，下面來看一些工業方面的數據。圖24給出了高研發強度工業的產出。什麼叫做高研發強度的工業呢？這裏給出的範圍是：飛機制造，製藥，計算機、電子與光學產品，計算機軟件，以及科學研發。從2003年到2018年，美國在這些領域的產出從5700億美元增長了到10400億美元，不過份額從38%下降到32%。同時，中國的份額從6%增長到了21%。
圖24
然後，圖25給出了中高研發強度工業的產出。什麼叫做中高研發強度的工業呢？這裏給出的範圍是：化工（不包括製藥），交通裝備（不包括飛機），電力和其他機械裝備，信息技術服務，以及科學儀器。從2003年到2018年，美國在這些領域的產出從6000億美元增長到了12500億美元，不過份額從25%下降到22%。同時，中國的份額從7%增長到了26%。
圖25
下面來看專利數據。圖26顯示（https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201/invention-innovation-and-perceptions-of-science），中國的同族專利（patent families）佔了全世界的49%，美國只有6.8%。這個數據讓我吃了一驚，連忙去請教我的朋友、知識產權專家沈泳律師。
圖26
首先，什麼叫做同族專利呢？
由於專利有地域性，所以一個企業往往要在不同國家或地區申請多個內容基本相同的專利。例如某一年在中國申請的某個專利，在一年內可以在中國要求國內優先權，也可以在一年內通過《巴黎公約》進入公約成員國，也可以在30至32個月內通過《專利合作條約》（PCT）進入PCT成員國。這些通過優先權相關聯的專利，就叫做同族專利。
下一個問題是，中國佔了同族專利的將近一半，説明什麼呢？
説明中國在一系列新興產業裏有優勢，這些產業的專利佈局積極性遠高於傳統產業。同時也説明，中國企業已經是在面對全球市場，而不只是國內市場。
非常感謝沈律師的講解。2016年，我的朋友、風雲學會會員陳經寫了一篇文章《百強創新企業數量第一的日本為何企業經營不利？》，裏面指出中國企業在這種評選中吃虧，是因為國際專利申請得太少。這才過了4年，情況居然完全反過來了，中國成了最熱衷於申請國際專利的了！
由此就引出了我們要介紹的最後一個指標，PCT專利。2020年4月7日，世界知識產權組織（WIPO）公佈，中國在2019年通過PCT體系申請了58990份專利，超過了美國的57840份（從1到58990，中國用27年首超美國！）。
而在1993年，中國只向世界知識產權組織提交了一份專利申請。在26年間，中國從1增長到將近6萬，成為了世界第一。
2005年-2019年各國國際專利申請情況 視頻截圖
總結一下，多個指標都顯示出，中國的科技實力整體上僅次於美國。在部分指標上，中國達到第一也絲毫不奇怪。將來的歷史會記住，這是一個大趕超、大進步的時代。
最後，歡迎大家關注我們的賬號“科技袁人”。雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越！