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中国的科学技术
送交者: 国华P[♂★★声望品衔9★★♂] 于 2024-07-08 15:30 已读 5967 次 3 赞  

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英国知名期刊《经济学人》(The Economist)6月12日一期的封面文章,是一篇题为“China has become a scientific superpower”的长文(下图 The Economist)。该篇文章介绍了中国大陆科技现状,认为中国大陆已崛起为一科技超级大国。兹将文章主要内容介绍如下,供感兴趣的读者参考。


北京中科院(CAS 下图 Wiki)研究大楼的中庭有一堵两层高、5米宽的专利墙。墙上的玻璃橱窗内展示了192张排列整齐的证书,灯光的照明下显得优雅大气。墙的一层橱窗内一条软绳后面,有一排玻璃罐,里面存放着有专利保护的创新:各类种子。在过去几年里,中国大陆科学家发现,当敲除某种基因时,可以增加小麦颗粒的长度和重量,而另一种则可提高高粱和小米等作物在盐碱地中生长的能力。他们还发现第三种基因可以使玉米产量提高约10%。2023年秋天,贵州农民完成了由中科院科学家开发的转基因巨稻的第二次收获。


在过去的十年里,由于其作物研究的质量和数量都有了巨大的增长,中国大陆现在被广泛认为是这一领域的领导者。据一家著名的欧洲植物科学杂志的编辑说,有段时间,该杂志一半的投稿可能都来自中国。

千里之行,始于足下

2019年,《经济学人》调查了中国大陆的科研现状,并询问参与者大陆未来能否成为科学超级大国。如今,我们有了明确的答案:“会的”。中国大陆科学家近来在两项备受关注的高质量科学指标上取得了优势,且其顶尖研究的增长没有放缓的迹象。这预示由美国、欧洲和日本主导的旧科学世界秩序行将结束。

衡量一个国家科学研究质量的一种方法是统计每年发表的高影响力论文的数量,即经常被同行引用的论文。据科学分析公司Clarivate的数据,2003年,美国发表的这些高影响力论文是中国的20倍。到2013年,美国发表的顶级论文数量约为其四倍,在最近发布的数据中,中国大陆发表的高影响力论文的数量已经超过了美国和整个欧盟(下图 Nature)。



自然指数(Nature Index)是2014年11月推出的用于追踪各个机构和国家科学产出的数据库。每年,自然指数都会根据在顶尖期刊中发表的科学文章和论文数量,对领先的机构(包括公司、大学、政府机构、研究所或非政府组织)和国家进行排名。这些论文必须经过同行评审小组的批准,同行评审小组评估研究的质量、新颖性和潜在影响。当该指数于2014年推出时,中国位居第二,但其对合格论文的贡献不到美国的三分之一。到2023年,中国已经登顶榜首。

根据莱顿科研产出排名(CWTS Leiden Ranking),目前中国大陆有6所大学或机构进入世界前十,而根据自然指数排名,大陆则有7所。上海交通大学、浙江大学和北京大学可能在西方并非像剑桥大学、哈佛大学和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)那样家喻户晓,但这些中国大学的确是世界顶级大学(下图 CWTS Leiden Ranking)。英国剑桥大学的马京生(Simon Marginson)教授认为,大陆的清华大学现在是世界上排名第一的科技大学。


根据自然指数和引用指标,中国大陆在物理科学、化学、地球和环境科学方面处于世界领先地位。美国和欧洲则在普通生物学和医学领域遥遥领先(下图 X)。


应用研究是中国人的强项。例如,中国大陆在钙钛矿太阳能电池板的出版物中占据主导地位,这些太阳能电池板在将阳光转化为电力方面可能比传统的硅电池效率高得多。中国化学家开发了一种从海水中提取氢气的新方法,使用专门的膜分离出纯水,然后通过电解将其分离。2023年5月,有消息称,科学家们与大陆一家国有能源公司合作,在中国东南海岸开发了一个浮动氢农场试点。

中国大陆的专利也比任何其他国家都多,尽管许多专利并非真正的原创发明。中国大陆强大的工业基础,再加上廉价的能源,意味着它可以迅速启动材料等物理创新的大规模生产。英国Materials Nexus公司的首席执行官比恩(Jonathan Bean)表示:“这正是中国相对于西方国家真正具有优势的地方。”6月初大陆的嫦娥六号机器人飞船在月球背面的一个巨大陨石坑着陆,插上中国国旗,挖出一些月壤样本,然后返回地球(下图 The Economist)。这展示了其强劲的科学实力。


工欲善其事,必先利其器 

中国大陆从资金、设备和人才着手从资金、设备和人才着手提升科研实力。自2000年以来,大陆的研发支出增长了16倍。2021年迄今,中国的总体研发支出仍落后于美国。美国将大量资金投入基础研究,而大陆则将大量资金投入应用研究和实验开发(下图 statista)。资金被精心引导到战略领域,旨在推动量子技术、人工智能、半导体、神经科学、遗传学和生物技术、再生医学以及探索深空、深海和地球两极等“前沿领域”的研究。


创建世界一流大学和政府机构也是中国大陆科学发展计划的一部分。“211工程”、“985工程”和“中国九大联盟”等倡议为选定的实验室提供资金,以发展其研究能力。如果大学在高影响力的国际期刊上发表论文,它们将支付员工奖金 -- 估计平均44000美元,最高可达165000美元。

先进劳动力是受到中国大陆政府的重视。据大陆教育部数据,2000年至2019年间,有600多万大陆学生出国留学。经合组织的数据表明,自2000年以来,返回该大陆的学生已超过出国留学的学生。

许多回国的中国大陆留学生,又称“海归”,都是通过激励吸引回国的。2010年启动的“青年千人计划”为40岁以下的研究人员提供高达50万元人民币(10.4万美元)的一次性奖金,并提供高达300万元人民币的赠款,用于启动实验室并在国内运行。 

去年发表在《科学》杂志上的一项研究发现,“青年千人计划”带回了高素质的年轻研究人员。平均而言,这些“海归”的工作效率是同龄人中最高的15%。由于获得了更多的资源和学术人力,这些归国人员成为主要科研力量,发表的论文数量是留在美国的同等研究人员的2.5倍。

中国大陆也慷慨投资科研设备,例如在量子计算领域,中国的一些学术实验室拥有的最新设备和规模,皆可媲美西方的商业实验室。2023年,在中国大陆的研究人员打破了量子计算机内纠缠量子比特数的纪录(下图 Linkedin)。中国大陆现在拥有超级计算机、世界上最大的全口径射电望远镜和地下暗物质探测器、世界上最灵敏的超高能宇宙射线探测器、世界上最强的稳态磁场、很快就会拥有世界上最高灵敏度的中微子探测器之一。记者、麻省理工学院前研究员麦卡逖(Niko McCarty)最近参观了中国大陆的一间合成生物学实验室,在一座“有四层机器人的惊人建筑”内,他对所见的“比美国更令人印象深刻的机器”。


大学及科研机构中配备最先进的设备和精英研究人员,以及颇有竞争力的薪酬,从西方机构吸引了越来越多年轻且雄心勃勃的中国大陆科学家。麦卡蒂说:“中国的学生不像他们的导师那样,把美国视为‘科学圣地’。”以当前最热门的科技人工智能为例。目前,中国大陆在世界人工智能研究论文中的贡献率约为40%,而美国约为10%,欧盟和英国加起来约为15%(下图 DIGITAL science)。


有史以来被引用率最高的图像识别研究论文之一,是由在中国大陆的人工智能研究人员撰写的。乔治城新兴安全与技术中心的人工智能分析师阿若德(Zachary Arnold)表示:“中国的人工智能研究是世界级的。在计算机视觉和机器人等领域,他们的研究有领先地的优势。”可以预料中国大陆科学质量和数量的增长会持续下去。中国大陆培养的年轻科学家源源不断 -- 2020年,中国大学授予了140万个工程学位,是美国的7倍。中国大陆目前在本科阶段培养的顶尖人工智能研究人员是美国的2.5倍。到2025年,中国大学的科技博士毕业生预计将是美国的近两倍。

欲穷千里目,更上一层楼

尽管中国大陆在一些重大科技领域取得了世界一流乃至突破性的成就,但其发表的科研论文也存在大量质量较低粗制滥造现象。如在论文平均引用量上,中国大陆的科研论文往往比来自美国、英国或欧盟的论文影响更小(下图 The Asahi Shimbun)。少数几所中国大学和研究机构在科研方面取得了惊人的进步,但中等水平的大学/研究机构却落在了其欧美同行后面。对此,俄亥俄州立大学科学政策教授卡瓦格纳(Caroline Wagner)表示:“虽然中国在最高水平上有着出色的质量,但基础薄弱。”


在基础、好奇心驱动的研究(而非应用)方面,中国大陆仍然落后 -- 在《自然》和《科学》这两本最负盛名的科学期刊上发表的论文远少于美国。这也许可以部分解释为什么中国大陆在发现全新技术方面似乎力不从心。“对于更多的原始创新,这可能是一个负面影响,”中国太阳能公司朗基绿色能源技术(Longi Green Energy Technology)的首席科学家徐希祥(Xu Xixiang)说。

不可否认,中国大陆正在其落后美国/西方的科技领域奋起直追。因此,美国和欧洲仍处于领先地位的医学、生物和健康科学也不太可能长期安全。伯明翰大学生物技术教授、英国商业、能源和工业战略部前顾问达丰(Tim Dafforn)表示,中国大陆在这些领域的知名度正在上升。尽管美国目前在临床医学领域发表的极具影响力的论文大约是中国的四倍,但在许多领域,中国发表的引用此研究领域的核心论文最多,这表明人们对这一研究的兴趣正在发展,预示着未来的扩张。Clarivate科学信息研究所的首席科学家乔纳森·亚当斯说:“在生物领域,中国的发展速度非常快。它将注意力转移到一个新领域的能力非常了不起。”

在与西方科研合作方面,尽管存在间谍活动、网络攻击、军事用途、以及地缘政治的担忧,中国大陆与美、欧研究人员的学术合作也非常多。如美国作者撰写发表的电信论文中约三分之一涉及中国大陆合作者。在成像科学、遥感、应用化学和地质工程领域,涉及的中国大陆合作者在25%至30%之间(下图 Clarivate)。在欧洲作者发表的科技论文中,涉及中国大陆合作者虽不如美国,却也相当可观,约为10%。这些伙伴关系对合作双方都有利。在人工智能研究中,有一位来自美国或中国的合著者对两国作者都有益,平均引用量可增加75%。


由于地缘政治压力,美国和欧洲正在限制与中国大陆的合作(下图 CARNEGIE ENDOWMENT)。今年3月,美国与中国的《科学技术协议》只悄然续签了六个月。在欧洲,除了环境和气候项目外,中国大学实际上被禁止通过欧洲大型研究项目“地平线”获得资金。中国“自力更生”的科研目标,也令科学家们担心北京变得更加内向。但是,合作之门一旦开启,就再也难以关闭。


活到老,学到老

中西科学家的压倒性观点是,合作必须继续,最好还能增加。尽管中国大陆的科研取得了长足进步,但它并未关闭国际合作的大门。实际上,中国大陆与国际合作的科研产出一直稳定在20%左右。西方国家科学家往往比他们的中国同行有更多的国际合作机会。但由于语言、政治因素,西方科学家在中国学习、访问或工作的案例要远远少于他们的中国大陆同行在西方国家学习、访问或工作。

由于地缘政治而对希望来西方实验室的中国大陆学生和研究人员关闭大门,对西方科学来说会是灾难性的。因为中国研究人员长期以来都是美国和欧洲顶尖大学许多院系的骨干。资料显示,2022年在美国工作的顶级人工智能研究人员中,出生于中国大陆的人比出生于美国的人要多(下图 MARRO POLO)。


几乎没有迹象表明,中国大陆的科学发展会止步不前。即使中国大陆疲软的经济迫使中共放慢研究支出,大陆的科技依然可以蓬勃发展。英国剑桥大学的马京生(Simon Marginson)教授说:“我认为,给中国奇迹设限是非常不明智的。因为到目前为止,中国奇迹远未到达极限。”

参考资料

The Economist. (2024). China has become a scientific superpower. 链接 https://www.economist.com/science-and-technology/2024/06/12/china-has-become-a-scientific-superpower

Financial Review. (2024).How China became a scientific superpower. 链接 https://www.afr.com/technology/how-china-became-a-scientific-superpower-20240618-p5jmt1#:~:text=By%202023%2C%20China%20had%20reached,according%20to%20the%20Nature%20Index.

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