解讀科學，洞察本質
戳穿忽悠，粉碎謠言
導讀
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。中國近年來科研成果出現了爆發，各個領域的增量數一數二，差距主要在存量上。目前的基本態勢是全面追趕，重點突破，局部領先。外界已經在把中國作為現實的而非潛在的科技大國來重視了。這是歷史性的進步！
【本文2015年8月發表於觀察者網，在此由於篇幅限制略作修訂。】
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。民科常犯的一個錯誤就是用細節問題否定基本理論，各種推翻相對論、量子力學的嘗試大都是如此。殊不知細節問題之所以困難，往往是因為影響因素太多，研究者難以把握。例如一片樹葉下落的運動，跟樹葉的質量分佈、每個瞬間的氣流都有關係，要描述清楚極其困難。而最重要的事實、大趨勢反而是相對簡單的，只要抓住幾個關鍵因素，就能得出深入的結論。所以預測一隻股票的價格非常困難，預測一個國家的經濟增長率卻要容易得多。
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。從能源的角度看，用火的文明，用畜力的文明，用蒸汽機的文明，用電力的文明，和用核聚變的文明，發展程度是完全不同的。從材料的角度看，用石頭的文明，用青銅的文明，用鐵的文明，用化學合成的塑料、橡膠、纖維的文明，和用劉慈欣科幻小說《三體》中的強相互作用材料“水滴”的文明，發展程度是完全不同的。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，我們就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。
根據《三體》小說的設定，“水滴”是用強相互作用材料製成的
1964年，蘇聯天體物理學家尼古拉·謝苗諾維奇·卡達謝夫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用於通訊，III型文明能夠把一個星系的輸出功率用於通訊。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？我的回答是第一集團，跟美國有顯著差距，但屬於同一級別。
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。不同背景的人往往關注的層面不同。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，在絕大部分情況下表現為學術論文，發表在科學期刊上。科學界之外的人往往覺得能發表論文就很了不起了，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？如果對一個領域很熟悉，自然可以仔細閱讀每篇文章，就其內容給出評價。但世界上的論文早已汗牛充棟，誰都看不過來，現代科學又分得越來越細，隔行如隔山，即使對相近專業的論文也很可能不足以給出評價。那麼怎麼快速地估計文章質量呢？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。學校運動會里會不會有世界冠軍？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》和美國的《科學》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》、《美國化學會志》、《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，但出入也不會太大，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（articlecount，AC）。這並不是說不在這68家雜誌上的文章都不好，其實出自檔次比較低的期刊的重要文章也不少，還有得到諾貝爾獎的。也不是說這68家雜誌上的文章都很好，這些文章中也難免有一些價值不大的。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。在不知道更多信息的情況下，你看到一篇出自這些雜誌的文章和一篇出自其它雜誌的文章，可以十拿九穩地猜測前者比後者重要。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，一篇文章經常有多個跨單位甚至跨國的作者。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佔多少份額，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佔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。這套做法在期刊的選取、各個作者的貢獻等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，自然出版集團公佈了2014年（實際上是2013年12月至2014年11月）的統計結果。美國的WFC排第一，18643。中國第二，5206。德國第三，4077。四到十位是日本、英國、法國、加拿大、西班牙、瑞士、韓國，從3371到1151。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是中國的3.6倍。但中國排第二，達到德國的1.3倍、日本的1.5倍，也相當不錯。
再從研究單位的角度看，WFC最高的是哪一家？答案是中國科學院，高達1209，是第二位哈佛大學（852）的1.4倍。也許你會說這不公平，中國科學院是由許多研究所組成的，跟一個大學沒有可比性。然而第三位是德國馬克斯·普朗克學會（729），第四位是法國國家科學研究院（721），它們都和中國科學院類似。可見至少在科學協會之間比，中國科學院排第一是沒有疑問的。再仔細想想，一個大學有很多院系和專業，而像中國科學院化學研究所、中國科學院等離子體物理研究所這樣的研究所只對應於大學的一個學院、一個系甚至一個專業，所以把協會和大學的科技產出做對比也未嘗不可。
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，中國的一流文章還非常少見，很多教授都從來沒發過，有一篇就顯得很高大上了。進入21世紀以來，中國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，還有一大波諾貝爾獎得主。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，中國大學的研究水平整體而言跟美國還沒得比，相差太遠。不過中國的進步非常快，現在中國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，中國的研究單位作出世界一流的成果被看成理所當然的事，不會令人感到驚訝了。進步也表現在廣度上，以前只有中國的一流院校才能指望作嚴肅的研究，現在連一些二流院校都不時發一篇《自然》、《科學》了。
中國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。中國呢？上升14.9%！這是個什麼概念？如果保持14.9%的增速，5年就會翻一番。如果中美都保持14.9%和-0.8%的變化率，8.7年後中國就會趕上美國。
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，跟2014年12月的數據相比剛好過去了半年。僅僅半年時間裡，中國的WFC又從5026變成了6318，增長25.7%！按照這樣的速度，兩個半年即一年就會增長58%，達到7942。因此以後如果看到報道中國2015年的WFC達到7000甚至8000，不要感到奇怪。與此同時，美國的WFC從18643變成17448，下降6.4%；德國從4077變成3939，下降3.4%。在半年時間裡，美國對中國的比例從3.6縮小到2.8，中國對德國的比例從1.3擴大到1.6。
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《射鵰英雄傳》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。當然這個代表性低一些，因為歷史上發表在《自然》與《科學》之外的里程碑式論文（包括許多得到諾貝爾獎的）實在是太多了，遠遠多於發表在那68個一流期刊之外的，不過仍然不妨做個參考。自然出版集團也給出了只限這兩個雜誌的WFC，我們姑且把它作為各個國家或研究機構發表頂級論文的指標。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（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，不過也反映出我們在頂級論文中的地位比在一流論文中的地位低一截。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。從2012年以來，五局每年聯合發佈統計報告。2015年初，五局發佈了2014年的主要統計數據報告，完整版的2014年五局統計報告將於2015年底完成。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。五局的主要統計數據報告中列出的全都是發明專利的數據。
2014年五局共收到230萬件發明專利申請，其中最多的是中國，高達92.8萬件，佔了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，中國也是最高的，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，佔31%。其次是中國，23.3萬件。日本、韓國、歐洲分別是22.7、13.0和6.5萬件。中國的增速12.3%最高，美日韓歐的增速分別是8.2%、-18.0%、1.9%和-3.1%。
研發人員與經費
再來看國家在研究上的人力物力投入。科技部出版的《中國科技人才發展報告（2014）》顯示，2013年我國的研究與發展（R&D）人員總數為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年中國的研究與試驗發展經費支出為13312億元，比2013年增長12.4%，佔國內生產總值（GDP）的2.09%。按照1美元兌換6.2人民幣元計算，相當於2150億美元。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支出佔GDP比例是：中國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）。中國的比例處於中等偏低，不過在較快地上升。由於中國的GDP僅次於美國，超過第三名日本的兩倍，所以可以肯定中國的研發投入處於世界第二位，接近美國的一半。2014年，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，中國的研發支出將在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
再來談老百姓的日常生活。現在一個典型的中國中產家庭擁有這些物質財富：房子，汽車，計算機，智能手機，大屏幕電視，空調，冰箱，洗衣機，多種傢俱、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，飛機場，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，飛機場更多，如果能進名牌大學，就能受更好的教育。不過中國佔優勢的地方也不少，如治安普遍更好，高鐵網絡更發達（美國還沒有高鐵呢），中餐更好吃（美國大部分的飯店就是悲劇），電信網絡覆蓋度更高（中國有村村通，美國在不賺錢的地方就不通）。2014年，中國人和美國人的預期壽命分別是75.15歲和79.56歲（美國中央情報局world fact book的數據）。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，而不是瞠目其後。從收入看來似乎相差很多（中國的人均GDP只有美國的1/7），但實際生活質量卻相差不遠。這是因為中國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。
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，中國有試驗中的殲-20和殲-31。航空母艦，美國有11艘核動力航母，中國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（觀察者網注：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，中國只有龍芯、華為麒麟。操作系統，美國有windows、iOS、安卓，中國沒有像樣的代替物。電信，美國有思科，中國有華為、中興。4G標準，美國有FDD-LTE，中國有TD-LTE。搜索引擎，美國有谷歌，中國有百度。電子商務，美國有亞馬遜、eBay，中國有阿里巴巴、京東。社交媒體，美國有臉書、推特，中國有微信、微博。汽車，美國有通用、福特、克萊斯勒，中國只有奇瑞、吉利、長城。電動汽車，美國有特斯拉，中國有比亞迪。手機，美國有蘋果，中國有華為。高鐵，美國還沒有，中國佔世界一半以上。大飛機，美國有波音，中國的商飛正在研製C919。液晶顯示，美國幾乎沒有，中國有京東方……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。也有些領域中國領先，如預警機、火力發電。有些領域美國佔壓倒性優勢，也有些領域中國佔壓倒性優勢。
殲-20
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了競爭。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贊他。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：為什麼短跑不如博爾特？跨欄不如劉翔？跳遠不如劉易斯？拳擊不如鄒市明？太弱了！對中國，大家批的是：為什麼汽車不如德國？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？他們是不是也該痛心疾首地反思？
不過這個脫離實際的要求也有正面意義，就是說明中國人民內心非常驕傲，自我期許極高。我們銘記著天朝上國的榮光，知道自己在歷史上全面領先過。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，堅信人定勝天，君子自強不息，士不可以不弘毅。這其實是大國特有的一種自信，一種盲目的自信。對許多小國來說，命運多次不由自己決定，他們很清楚人力有時而窮的道理，適當地選擇大國投靠是他們必備的生存智慧。大國的這種自信雖然盲目，雖然不合邏輯，但仍然是有價值的。它多次使大國的人民煥發出不可思議的勇氣和創造力，完成了許多偉業。正如基辛格《大外交》第18章所言：“大事業往往需要一點天真去推動。”盲目的自信總比盲目的自卑好得多，這種自信是超級大國人民必備的底蘊。
重劍無鋒，大巧不工
綜合以上對科學論文、專利、科研人力、研發經費、生活質量、工業水平的討論，就得到了前邊說過的結論：中國的科技水平處於第一集團，跟美國有顯著差距，但屬於同一級別。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。由於我們爆炸式發展的時間還比較短，科技和財富的存量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，我們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，我們毫無懸念是世界第一，如前面說的2014年WFC比2013年增長14.9%，發明專利申請數增長12.5%，其他國家不下降就不錯了。這是因為我們的經濟在快速發展，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。正如一句老話：能用錢解決的問題就不是問題。
有人有錢就能搞好科技，這個道理雖然正確，卻不容易讓人相信，因為許多人特別不自信，說得好聽點就是太有憂患意識，憂患過頭了。1999年左右，楊振寧到科大演講《近代科學進入中國的回顧與前瞻》，結論是：“以下的幾個長遠的因素是使得一個社會、一個國家能夠有輝煌的科技發展的必要條件。第一個是需要有聰明的年輕人，有頭腦做科學研究；第二是需要有重視紀律、重視忍耐心、重視勤奮的社會傳統；第三要有決心；第四要有經濟條件。……中國在20世紀裡有前三者，到了21世紀我認為將四者具備，所以我對21世紀中國科技的發展是絕對樂觀的。”當時我十分不以為然，因為中國有太多的問題，腐敗，專制，貧富差距，世風日下……所以，楊先生，您是不是老糊塗了？後來隨著眼界的擴大，卻越來越發現楊振寧講的是完全正確的。他這些道理看起來很質樸，簡直土得掉渣，但卻是“重劍無鋒，大巧不工”。這正應了《道德經》裡的話：“上士聞道，勤而行之；中士聞道，若存若亡；下士聞道，大笑之。不笑不足以為道。”
美國的昨天和中國的今天
其實從歷史上看，經濟強國科學崛起幾乎是必然的，過程比一般人想象得直截了當得多。19世紀末，美國已經是全球最有活力的經濟大國，但科學水平還很低。1883年，美國物理學會第一任會長亨利·羅蘭做了一個演講《為純科學呼籲》，被後世稱為美國科學的獨立宣言。他在演講中激烈批評了美國科學的狀況：“美國的科學只存在於未來，它沒有今天和過去。……我們厭倦平庸，這是我們國家所遭受的詛咒。……難道我們總是匍匐在塵土中去撿富人餐桌上掉下來的麵包屑，並因為我們有更多的麵包屑而認為自己比他更富裕嗎？……教學工作會消耗大部分精力，這也是絕大多數在教授職位上不進行任何科學工作的人的一個藉口。……這類的事實（按：美國的許多所謂大學只有幾位教授、十幾名學生和幾萬美元的經費）只會存在於一個民主的國家，它所自豪的是將所有的東西都降低到同一層次。……要讓他們（按：美國的大學生）知道他們只接受了一半的教育，他們與世界上的一些人相比如原子般微不足道。……那些拿最高薪水並擁有教授職位的人今天所做的事絕對不是純科學研究，而是科學知識的商業應用，目的是增加他們已經很高的收入。……如果這位學生被一些當時所謂的好老師所教育，這些老師所知道的只比學生多一點，並常常被學生超過甚至輕視，那麼沒有人會懷疑這位學生的品味低下。這位學生髮現只要他稍加努力，他就能超過他所在的大學中擁有最高榮譽的人；他開始認為自己是一個天才，工作的動力隨之消失了。旁邊的小土丘讓他感到自己是一個偉大的人，但他不知道世界上還有他無法比擬的大山。……在美國人的心中，期望與賭博的慾望被混為一談，除了它們的名字不同之外，每個機構都在混沌中昏睡，期望時間的流逝能帶來繁榮昌盛。……有太多的地方學會被冠以大而不當的名稱，每個學會都有自己的知名人士，他們有特權將他們在早晨散步時發現的某些多出一支腳的螃蟹描述為無價之寶。……它（按：美國科學院）沒有辦法獲得像偉大的英國皇家學會、或者是在巴黎、柏林、維也納和其它歐洲首都和大城市的偉大學院的地位。……在科學方面，我們國家還沒有出版過或者即將出版任何中小學教材以上的書籍。……我們國家所做的物理學工作還不足以支撐一個物理學期刊。”
亨利·羅蘭
看到這些，你會覺得美國的科學弱爆了。當時肯定也有很多“良心”人士宣稱美國不可能搞好科學。但他又說：“慷慨給予是美國人最優秀的品質，這個國家所需要的將會在將來的資金中得到支持。……美國人在小事情上不缺乏發明和創造，當同樣的精神被用到知識和對科學的熱愛上時，它就會變成研究的精神。”羅蘭的結論是熱情洋溢的：“我們知道這個國家前進的速度：我們看見城市在一夜之間拔地而起，其它的宏偉事業也以史無前例的速度前進。我們看見了正在建造的物理學實驗室，我們看見了對接受過全面訓練又不懼怕數學的物理學家的大量需求，需要他們做教授或加入到所謂的現實生活中。也許我們與所有真正的美國人有著同樣的感覺，我們的國家正在走向繁榮昌盛的未來，我們將努力成為世界科學的領導，就像我們今天努力成為世界財富的領導一樣。”當時的美國和現在的中國是多麼相似！
羅蘭說美國的物理學工作還不足以支撐一個物理學期刊，這正好引出另一個有趣的故事。美國物理學家伊西多·拉比年輕的時候去歐洲留學，發現美國的《物理評論》是被一年一次用船運過去的，說明在歐洲科學界看來美國的物理研究根本不值得重視，用不著及時看。拉比暗下決心，回國後擔任了《物理評論》的主編，和同事們把它打造成了世界物理學界最著名的期刊之一，並且自己因為發現核磁共振獲得了1944年的諾貝爾物理學獎。美國化學家萊納斯·鮑林也是在去歐洲留學之後，把美國的化學提升到了世界先進水平，並因為提出價鍵理論獲得了1954年的諾貝爾化學獎。
中國量子信息的成功之路
我們來看一箇中國的例子。量子信息現在是一個非常熱的概念，經常上新聞聯播，大家都知道中國的量子信息搞得很好。量子信息究竟是什麼？我的科普文章《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》做了一些介紹，將來還會寫更詳細的科普。量子信息的理論不是三言兩語能說清的，應用可以在這裡簡略說一下。
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決很多現在無法解決的問題，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洩密的可能，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。中國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絡已經在運行中。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。如果成功，就可望建立星地一體的絕對安全信息系統，有非常高的軍事與民用價值。
中國的量子信息研究一大半在科大，科大有三個大的研究組：郭光燦、潘建偉、杜江峰。這裡來講講潘建偉的成才之路。潘建偉在科大碩士畢業後，到奧地利維也納大學的安東·塞林格教授組裡讀博士。1997年，他們在《自然》上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》的文章，潘建偉是第二作者。此文第一次實現了量子隱形傳態，即科幻電影中的傳送術（電影當然是大大誇張了的），入選了《自然》雜誌的“百年物理學21篇經典論文”。
後來潘建偉回到科大工作，首先遇到的問題就是人才缺乏。為此他自己繼續到國外開展合作研究，同時有針對性的選派學生跟隨自己或送到歐美各個先進研究機構學習。派出去的每個人做不同的方向，回來後互相取長補短，團隊逐漸成形，就一點點顯現出了合作效果。2015年，潘建偉研究組在《自然》上發表題為《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》的封面文章，把量子隱形傳態的體系從一個自由度擴展到了兩個自由度。用《道德經》的話說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”1997年實現了道生一，那時潘建偉還是博士生。2015年實現了一生二，這時他已經是量子信息的國際領導者。潘建偉團隊從當初的單方向派人去海外學習，已經變成有來有往，目前有2位外籍教授、6名外籍留學生，分別來自德國、法國、加拿大、巴基斯坦等國家。
潘建偉院士
我們來比較一下拉比、鮑林和潘建偉。他們的成長道路很相似，都是先到先進國家學習，然後回國建立團隊，把本國提升到先進水平。有些過於保守的人反對出國留學和對外交流，認為關起門來自己搞才是正道，這固然是錯誤的。但更多的人是過於悲觀，認為中國永遠都只能跟在人家後面跑，不可能搞好科學，這就更加錯誤。我親耳聽到過地位很高的人言之鑿鑿地說“中國人不會創新”，這種人的危害比保守派要嚴重得多。正確的態度是，“世上無難事，只要肯登攀”。如果說中國沒人才，那麼耐心培養不就是了？以中國人的文化底蘊、勤奮程度和天分，只要按照科學規律做事，持之以恆地投入，沒有做不成的。
科技新聞在你身邊
下面我們來擬一個答客問，解釋一下若干常見的誤解。
問：中國的科學已經這麼厲害了？我怎麼感覺不到？
答：因為你沒有關心這方面的消息。如果你關心的話，就會看到很多。例如2015年3月，理化所和清華大學制備了一種液態金屬機器人，含鎵的液態合金吸收一小片鋁以後，就可以在電解質液體中運動很長時間，能夠蜿蜒前進和變形，被比喻為終結者。
2015年3月，軍事醫學科學院生物工程研究所和天津康希諾生物技術有限公司聯合研發出了2014基因型埃博拉疫苗，針對性強，穩定性好，並具備大規模生產技術條件，優於美國、加拿大的需零下80度冷凍保存的1976基因型疫苗，已經治癒了一名英國女兵和一名意大利男護士。
2015年4月，科大建成國際最先進的反場箍縮磁約束聚變實驗裝置“科大一環”，我為此寫了篇《科普核聚變》。2015年5月，中國科學家研發的脫細胞角膜基質“艾欣瞳”上市，這是世界上第一個也是唯一一個完成臨床試驗的生物工程角膜，為全球6000萬角膜盲患者帶來複明的希望。2015年6月，南開大學制備了一種特殊的石墨烯材料，用光一照就可以運動，包括太陽光，這是世界上第一種這樣的材料，可望實現光驅動的飛行。
固然中國的科學宣傳還有很大的改進餘地，但你如果閉目塞聽，只關注明星八卦、飛短流長，那即使有再多的科學成就，你又怎麼會注意到呢？
人云亦云與取樣錯誤
問：中國的科學界不是黑幕重重嗎？中國的科學體制不是僵化落後嗎？中國的科學成果不都是造假的、花錢買的嗎？
答：中國這麼大，科技人員這麼多，自然難免有陰暗面。美國也是如此。但你如果以為全都很陰暗，那就大錯特錯了。向一流期刊投稿時，審稿人水平很高，而且卡得很嚴，一心想挑出你的毛病來把你拒掉，造假的有多大幾率過關？至於說花錢買，就更可笑了。不要說一流期刊，二流的你去買一篇看看？這都是不可能的事。當然，有些低級的期刊上會有一些甚至很多低價值的以至造假的、花錢買的文章。不過學術界都知道這些期刊水平很低，不會把上面的文章當成像樣的學術成果。向一流院校求職時，低級別期刊的文章不但沒有正面作用，而且有負面作用。總之，把科學界當成商場官場，是無知無識者常犯的毛病。科學是最客觀、最公正、最富智慧含量的人類事業，許多在別的領域適用的在科學中是不適用的。
至於說中國的科學體制，當然有很多可以改進的地方。但這個體制畢竟實現了中國科技的快速發展，可見總體上還是成功的。巧婦難為無米之炊，體制再好，沒錢也幹不成事。用飛機來打比方，體制好比機身佈局，投入好比發動機。發動機推力不夠，再符合空氣動力學的機身也飛不起來。推力夠了，一塊磚頭都能飛上天。投入不足對中國科技的損害比體制問題大得多，許多被一般人歸結為體制問題的，其實是投入不足造成的。人云亦云地談論體制問題，是缺乏技術含量的無聊行為。
問：（某人對楊振寧《近代科學進入中國的回顧與前瞻》的評論）我的天……最後一節完全不敢苟同……估計全世界都公認中國學生是最聰明最勤奮最守紀律的……可是……那又怎麼樣呢？看看現在的中國，問題難道是出在人還不夠聰明身上嘛？麻木冷漠的國人，專制獨裁的體制，沒有大無畏的勇氣挑戰這個社會的世俗，再聰明的學生也只是百無一用。
答：這是一個很典型的觀點。它反映了一種很典型的錯誤思維模式：取樣錯誤。許多人看看自己和身邊的人，覺得都不怎麼樣，於是就對範圍大得多的問題喪失了信心。但是別忘了，搞科研的不是這些人，而是那些最聰明、最專業、最有好奇心的人，社會中最先進的少部分人。你不能根據身邊沒人能百米跑進11秒就斷言全國都沒人能做到，同樣也不能根據身邊沒人能做出一流的科研成果就斷言別人也不能。其實“物以類聚人以群分”是普遍現象，如果你身邊的人水平都不高，那很可能是因為你的水平就不高。
許多領域都符合“二八定律”，即20%的人幹了80%的事。對於科研，這個比例相差得只會更高，比如說10%的人幹了90%的事，甚至是1%的人幹了99%的事。羅蘭在《為純科學呼籲》中說：“在自然界中有一個即使民主也不能改變的事實是：人是不平等的，一些人有（聰明的）大腦、一些有（靈巧的）手。對平等的空談不可能推翻這些自然的規則。”許多人從來沒見過科研工作者，這很正常，但這並不妨礙科研工作者做事。印度的文盲率比中國高得多，還有神奇的種姓制度，可是人家不照樣探索火星嗎？
星空與導彈
問：中國發了這麼多所謂高檔次論文，對生活有什麼影響？純粹是騙經費的！
答：這也是一種很典型的觀點，它反映了很多人的淺薄和傲慢。
首先，人類的追求不只有物質生活，好奇心與求知慾也是基本價值。超越功利的理性思維是一種高尚的樂趣。你完全可以低頭看路，但不要冷嘲熱諷那些仰望星空的人。
其次，基礎研究決定了人類能夠達到的上限。弓箭用得再好，也無法對抗導彈。《三體》裡三體人用智子擾亂地球人的粒子物理實驗，阻止了地球人粒子物理的發展。由於粒子物理是一切物質科學的基礎，地球人就被鎖定在了當前的水平上。其實三體人的科技水平並不比地球人高太多，可能只高一個級別，在神級文明看來兩者都是秒殺的對象，但高這一級就足以碾壓地球人了。
再次，基礎研究的效果要通過應用研究、生產試驗、工業生產等多個環節，才能傳導到日常生活。確實不是立竿見影，但這絕不是輕視基礎研究的理由。正如羅蘭在《為純科學呼籲》中所言：“難道我們總是匍匐在塵土中去撿富人餐桌上掉下來的麵包屑，並因為我們有更多的麵包屑而認為自己比他更富裕嗎？但我們忘記了這樣的事實：他擁有面包，這是所有面包屑的來源。”當然，中國的傳導機制還不夠通暢，成果傳化率還不夠高，在這方面有很多需要改進的地方。
然後，中國的基礎研究已經對生活產生了重大影響。袁隆平的雜交水稻、李振聲的雜交小麥養活了全世界數以億計的人口，屠呦呦等人的青蒿素拯救了全世界數以百萬計的瘧疾患者，師昌緒的材料學研究大大提升了航空發動機的性能，徐光憲的稀土化學研究是中國稀土工業的基礎。看不到這些的人，是自己目光如豆。
最後，騙經費的人有沒有？有，例如偽造“漢芯”的陳進。我們對騙子及相關負責人處理太輕，這確實是很令人氣憤的，需要大力加強打擊學術不端的力度。但合理的結論是打擊假的，支持真的，有些人卻要把孩子連洗澡水一塊倒掉，那就太荒謬了。
諾貝爾獎情結
問：中國為什麼還沒人得諾貝爾自然科學獎？
答：其實得過了，楊振寧、李政道1957年拿獎時還是中國國籍。當然，如果把問題改成“為什麼還沒有新中國培養的人得諾貝爾自然科學獎”，那就是一個很有意義的問題了。對此簡短的回答是：不要急，會得的。諾貝爾獎授予的是經過檢驗、得到公認的成果，往往是幾十年前做出來的。日本近年來多次獲獎，是因為日本在20世紀80、90年代科研經費高速增長，獲獎者的成就大多是那些時候做出的。中國現在已經有了一些非常重要的成果，如薛其坤等人發現量子反常霍爾效應，楊振寧認為這是諾貝爾獎級別的，而且還在不斷產生新的重要成果，如最近的預測和發現外爾費米子。可以確信，幾十年後一定會出現中國科學家獲獎的高潮。至於具體什麼時候得，誰因為什麼成就得，那就很難預測了。
重要的是，現在的基本圖像是百花爭豔，不能確定哪一朵最先綻放，而不是隻有一兩朵，即使綻放了也不代表春天到來。在諾貝爾獎問題上，有些人處於悲觀的極端，認為中國永遠得不了（體制問題！），而另一些人處於憤世嫉俗的極端，聲稱諾貝爾獎純粹是西方的陰謀。這話用來說和平獎、文學獎或許可以成立，但用來說自然科學獎就離譜了。不要吃不到葡萄就說葡萄酸，耐心點，自信點。葡萄是甜的，而且你必然有吃到的那一天。
俄羅斯的正面與反面
問：俄羅斯的國際論文發的少，是因為他們不屑於在英文雜誌上發文章。俄羅斯的科技比我們強得多！更加以人為本！中國的高檔次論文超過俄羅斯，是恥辱而不是榮耀！
答：這也是一種典型的錯誤論調，錯誤在於混淆增量和存量。如前所述，我們爆炸式發展的時間還比較短，某些領域科技的存量可能還不如其他一些國家，這其中最典型的就是俄羅斯。但是在各種增量指標上，我們遠超俄羅斯。這無論如何都是好事，把這當恥辱的人，心態太扭曲了。
俄羅斯的優勢基本只剩軍工、航天和資源開採，這都是蘇聯時期的老本。在其它大多數領域，俄羅斯已經顯著落後於中國。一個非常有諷刺性的例子是，中國一汽與俄高爾基汽車集團成立合資企業，在米亞斯烏拉爾汽車製造廠組裝解放牌卡車。一汽是當年蘇聯援建的，結果現在老師不會造汽車了，只好請學生幫忙。就像《倚天屠龍記》第24回裡，張三丰聽說少林派被滅時，把百年前郭襄送給他的演示羅漢拳的鐵羅漢交給俞岱巖：“你日後送還少林傳人，就盼從這對鐵羅漢身上，留傳少林派的一項絕藝！”
蘇聯解體後經濟崩潰，俄羅斯科學界遭受了一場大劫難，許多科學家不得不離開了科研，或離開了自己的國家。普京上臺後雖然有所改善，但投入仍然很不足。我認識的一位經常訪問俄羅斯的老師說，俄國的科研人員大都是50—70歲的，年輕人很少。因為科研的收入太低，年輕人大都在外面打兩份三份甚至五六份工，編程序之類。這樣還願意搞科研的，只能說是真愛了。科研人員外流很嚴重。再過10-15年，老的退了，新的補不上來，要完的節奏。中國的情況正相反，每年畢業的博士碩士是世界第一多，在學術圈內找工作成了一大難題。好的高校、研究所的位置基本都填滿了，以前名不見經傳的單位也在快速提高標準。
有人說搞科研不需要很多錢，俄羅斯仍然有很多成就，舉出俄羅斯數學家格里戈裡·佩雷爾曼的例子。他證明了龐加萊猜想，卻是個避世隱居的怪人，從來不拿國家的研究經費，連數學界的最高榮譽菲爾茲獎都拒絕去領。但是這個例子很偏頗，因為數學和物理、化學、生物這些自然科學不一樣，數學命題無法用實驗來證明，只能靠數學家的頭腦。所以無論錢多錢少，所有的數學家都處於同一起跑線上。這也能解釋為什麼數學方面的民科特別多，宣稱自己證明了哥德巴赫猜想的不計其數。自然科學就不是這樣，實驗是對理論最終的判決，而現代的實驗是非常燒錢的。拿個試管在自己家裡就能做出重大發現的時代，早就過去了。粒子物理的加速器花錢是以百億元計的。即使你只做理論，不做實驗，現代的理論研究也往往需要大量的計算，我的專業理論與計算化學就是如此。這些計算不是拿紙筆能夠完成的，需要很多硬件軟件，這也是不菲的花費。俄羅斯由於缺人缺錢，科研每況愈下，這是明擺著的事。
至於說俄羅斯以人為本，就更是笑話了。俄羅斯人的預期壽命是70.16歲，低於中國的75.15歲，酗酒的、販毒的、走私軍火的一大堆，葉利欽時代差點連核武器都偷賣給黑幫，真是相當的以人為本哪！
科研的總量與人均
問：中國的人口相當於俄羅斯或日本的10倍，發表論文數達到他們的10倍了嗎？
答：沒有達到。問題是，按照人口平均計算科技成就的意義很小。科技成就不是實物，而是知識。蘋果這樣的實物給別人就沒有了，知識卻是可以無限複製的。很多知識還必須配合在一起才有用，好比你只知道怎麼造返回艙，那麼還是造不出飛船。所以對於衡量國家實力而言，科技的總量比人均重要得多。
當然，如果要論科研人員的效率，人均指標是重要的。我們的人均指標確實不如俄羅斯、日本以及很多其他國家，需要大力改進。不過這裡要強調一下，首當其衝的改進是質樸無華的增加投入，而不是人人都想指點兩句的體制問題。我們的人均科研投入比許多國家少很多，這是人均產出比他們低的最直接的原因。現在已經有人在問：我們給大學投資了這麼多，為什麼還沒有產生世界一流大學？是不是體制問題？這個問題其實很滑稽。你覺得投資很多，那是跟自己以前比，橫向跟世界一流大學比一比，還是比人家少得多。
《史記·滑稽列傳》裡有個故事：楚國大舉進攻齊國，齊威王派淳于髡出使趙國請救兵，讓他帶上禮品黃金百斤、駟馬車十輛。淳于髡仰天大笑，把帽帶子都笑斷了。齊威王問：“先生認為禮物少嗎？”淳于髡說：“何敢！”齊威王問：“這麼笑難道有什麼說法嗎？”淳于髡說：“我從東方來，看見路旁有祭祀田神的，拿著一隻豬蹄、一杯酒，祈禱說：‘貧瘠旱地的收穫裝滿筐籠，低窪水田的莊稼裝滿車輛，五穀豐登，豐盛滿家。’我見他的祭品少而想要的多，所以笑他。”於是齊威王把禮物增加到黃金千鎰、白璧十對、駟馬車百輛。淳于髡告辭起行，到了趙國。趙王給他精兵十萬，戰車千輛。楚國聽到消息，連夜引兵而去。我們還要被當代的淳于髡仰天大笑嗎？
近代以來的大圖景
基於前面的論述，對中國近代以來的科技發展史可以描繪出這樣的圖景：中國在解放前處於農業社會，科技水平比先進國家整整落後一個時代。民國時代開始引進西方的學術體系，搭起了框架，培養出了一批人才，但研究成果還是很稀少的。而且國家處於戰亂之中，即使有成果也難有應用的機會。毛澤東時代開始了大規模的和平建設，把已有的人才組織起來，並培養了大量的年輕人，通過接受援助和重點攻關，在一批戰略項目上取得了突破，實現了初步的工業化。文革時對許多科學家的不公正對待，是對我們有限的人才的巨大浪費。改革開放初期，舊的體制已經過時，新的體制由於投入不足而運轉不良，自主創新經歷了一段低潮期。不過由於技術引進，工業生產水平還是在不斷提高的。隨著中國經濟蓬勃發展，自主創新意識與研發支出從90年代後期開始顯著提高，人才的數量和質量迅速進步，近年來科研成果出現了爆發。增量的增量毫無疑問是世界第一，各個領域的增量數一數二，差距主要在存量上。目前的基本態勢是全面追趕，重點突破，局部領先。外界已經在把中國作為現實的而非潛在的科技大國來重視了。這是歷史性的進步！
如果我們把視線再往歷史和未來的深處延伸，自然就會詢問：在近代之前發生了什麼？我們為什麼會落到那時的悲慘境地？如何評價中國古代的科技發展？將來會怎麼樣？目前的上升勢頭會不會延續？世界和中國會變成什麼樣？
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