中国科研支出将在超欧美跃居世界首位
研发人员与经费
看完了专利，再来看国家在研究上的人力物力投入。科技部出版的《中国科技人才发展报告(2014)》显示，2013年我国的研究与发展(R&D)人员总数为353.3万人，超过美国，居世界第一位。
根据国家统计局的《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年中国的研究与试验发展经费支出为13312亿元，比2013年增长12.4%，占国内生产总值(GDP)的2.09%。按照1美元兑换6.2人民币元计算，相当于2150亿美元。根据世界银行的数据，前文中2014年WFC世界前十位的国家在2012年的R&D支出占GDP比例是：中国1.98%，美国2.79%，德国2.92%，日本3.39%(2011年)，英国1.72%，法国2.26%，加拿大1.73%，西班牙1.30%，瑞士3.41%，韩国4.04%(2011年)。中国的比例处于中等偏低，不过在较快地上升。由于中国的GDP仅次于美国，超过第三名日本的两倍，所以可以肯定中国的研发投入处于世界第二位，接近美国的一半。2014年，世界经济合作与发展组织在《经合组织2014年科学技术与工业展望》中预测，中国的研发支出将在2019年前后超过欧盟和美国，跃居世界首位。
日常生活中反映的科技水平
看完这些统计数据，再来谈老百姓的日常生活。现在一个典型的中国中产家庭拥有这些物质财富：房子，汽车，计算机，智能手机，大屏幕电视，空调，冰箱，洗衣机，多种家具、衣服等。在这些服务业上花费不菲：教育，医疗，养老，餐饮，电商，娱乐，旅游，健身，美容等。享受这些公共设施：高速公路，高速铁路，飞机场，电信，医院，学校，绿地，剧院等。还有软环境：良好的治安，高效的政府服务，快捷的物流等。这样的生活和美国中产家庭有多大区别？区别不大。中美中产家庭生活的相似之处远远多于不同之处。
区别总是有的，如美国人赚钱更多，买高档汽车更容易，出国旅游更方便，飞机场更多，如果能进名牌大学，就能受更好的教育。不过中国占优势的地方也不少，如治安普遍更好，高铁网络更发达(美国还没有高铁呢)，中餐更好吃(美国大部分的饭店就是悲剧)，电信网络覆盖度更高(中国有村村通，美国在不赚钱的地方就不通)。2014年，中国人和美国人的预期寿命分别是75.15岁和79.56岁(美国中央情报局world fact book的数据)。总体而言，中美中产阶层的生活属于同一级别。不同之处属于各有千秋，而不是瞠目其后。从收入看来似乎相差很多(中国的人均GDP只有美国的1/7)，但实际生活质量却相差不远。这是因为中国的中产比例低于美国(但中产人口高于美国)，也因为美国的贫富差距比中国大，少数的富人拿走了太多的资源，还因为美国是一个高成本的生活体系，消费效率比中国低(见郭晓明《物质循环的世界》第19节)。
工业技术水平
再来看生产中的技术水平。第四代战斗机，美国有已服役的F-22和F-35，中国有试验中的歼-20和歼-31。航空母舰，美国有11艘核动力航母，中国只有一艘从买来的瓦良格号改建的辽宁舰，蒸汽动力，据说国产航母正在建造。卫星导航系统，美国有GPS，中国有北斗。导弹防御系统，中美都有。导弹打卫星，中美都有。弹道导弹打航母，只有中国有。有源相控阵雷达，中美都有。预警机，中美都有，中国的更先进(观察者网注：有源相控阵雷达在原理上比无源先进)。超高音速飞行器，中美都在试验中。空间站，美国、俄罗斯等16国共用国际空间站，中国有天宫。太空探索，美国的探测器登陆火星，中国只到月球。芯片，美国有Intel、AMD，中国只有龙芯、华为麒麟。操作系统，美国有windows、iOS、安卓，中国没有像样的代替物。电信，美国有思科，中国有华为、中兴。4G标准，美国有FDD-LTE，中国有TD-LTE。搜索引擎，美国有谷歌，中国有百度。电子商务，美国有亚马逊、eBay，中国有阿里巴巴、京东。社交媒体，美国有脸书、推特，中国有微信、微博。汽车，美国有通用、福特、克莱斯勒，中国只有奇瑞、吉利、长城。电动汽车，美国有特斯拉，中国有比亚迪。手机，美国有苹果，中国有华为。高铁，美国还没有，中国占世界一半以上。大飞机，美国有波音，中国的商飞正在研制C919。液晶显示，美国几乎没有，中国有京东方……这个名单可以列很长。基本的特点是，大多数领域美国领先，但差距在缩小中。也有些领域中国领先，如预警机、火力发电。有些领域美国占压倒性优势，也有些领域中国占压倒性优势。
歼20能在几乎所有领域和美国正面对抗，而且还互有攻防的，世界上只有中国一家。其他西方国家由于体量较小，又缺少国家意志，在四代机、搜索引擎、电子商务、社交媒体、手机等领域基本都放弃了。日本放弃得更多，除这些外还有电信标准、导航系统、大飞机等。俄罗斯只能抓军工和航天，在大部分领域里都退出了竞争。只有中国在全面发力，在每场竞赛中都不缺席。
这里有一件很有趣的事。一个选手如果只参加几场比赛，取得了好成绩，那么人们一般就只称赞他。而另一个选手出现在所有的赛场上，在大部分赛场上都排在前五位，就经常被人批：为什么短跑不如博尔特？跨栏不如刘翔？跳远不如刘易斯？拳击不如邹市明？太弱了！对中国，大家批的是：为什么汽车不如德国？芯片不如美国？机器人不如日本？液晶不如韩国？这种批评背后的意思是中国应该在每一个领域都做到第一，否则就是失败。其实任何国家都不可能在所有领域都是第一，这是个脱离实际的要求。怎么不提德国的社交媒体不如美国，美国的高铁不如日本，日本的手机不如韩国，韩国的太多东西不如中国？他们是不是也该痛心疾首地反思？
不过这个脱离实际的要求也有正面意义，就是说明中国人民内心非常骄傲，自我期许极高。我们铭记着天朝上国的荣光，知道自己在历史上全面领先过。面对困难，我们总是认为内因是主导因素，自己搞好了就没有过不去的槛，坚信人定胜天，君子自强不息，士不可以不弘毅。这其实是大国特有的一种自信，一种盲目的自信。对许多小国来说，命运多次不由自己决定，他们很清楚人力有时而穷的道理，适当地选择大国投靠是他们必备的生存智慧。大国的这种自信虽然盲目，虽然不合逻辑，但仍然是有价值的。它多次使大国的人民焕发出不可思议的勇气和创造力，完成了许多伟业。正如基辛格《大外交》第18章所言：“大事业往往需要一点天真去推动。”盲目的自信总比盲目的自卑好得多，这种自信是超级大国人民必备的底蕴。
重剑无锋，大巧不工
综合以上对科学论文、专利、科研人力、研发经费、生活质量、工业水平的讨论，就得到了前边说过的结论：中国的科技水平处于第一集团，跟美国有显著差距，但属于同一级别。有一点值得注意的是，论文和专利表示的是科技的增量，而不是存量，正如GDP表示的是财富的增量，而不是存量。由于我们爆炸式发展的时间还比较短，科技和财富的存量可能还不如其他一些国家，换句话说就是那些国家还有老本可以吃。但是在各种增量指标上，我们都已经是数一数二的了。而在这些增量指标的增速上，即增量的增量，我们毫无悬念是世界第一，如前面说的2014年WFC比2013年增长14.9%，发明专利申请数增长12.5%，其他国家不下降就不错了。这是因为我们的经济在快速发展，科技投入在快速增加，即使其它条件都不变，科技产出也会快速上升的。正如一句老话：能用钱解决的问题就不是问题。
有人有钱就能搞好科技，这个道理虽然正确，却不容易让人相信，因为许多人特别不自信，说得好听点就是太有忧患意识，忧患过头了。1999年左右，杨振宁到科大演讲《近代科学进入中国的回顾与前瞻》，结论是：“以下的几个长远的因素是使得一个社会、一个国家能够有辉煌的科技发展的必要条件。第一个是需要有聪明的年轻人，有头脑做科学研究；第二是需要有重视纪律、重视忍耐心、重视勤奋的社会传统；第三要有决心；第四要有经济条件。……中国在20世纪里有前三者，到了21世纪我认为将四者具备，所以我对21世纪中国科技的发展是绝对乐观的。”当时我十分不以为然，因为中国有太多的问题，腐败，专制，贫富差距，世风日下……所以，杨先生，您是不是老糊涂了？后来随着眼界的扩大，却越来越发现杨振宁讲的是完全正确的。他这些道理看起来很质朴，简直土得掉渣，但却是“重剑无锋，大巧不工”。这正应了《道德经》里的话：“上士闻道，勤而行之；中士闻道，若存若亡；下士闻道，大笑之。不笑不足以为道。”
美国的昨天和中国的今天
其实从历史上看，经济强国科学崛起几乎是必然的，过程比一般人想象得直截了当得多。19世纪末，美国已经是全球最有活力的经济大国，但科学水平还很低。1883年，美国物理学会第一任会长亨利·奥古斯特·罗兰(Henry Augustus Rowland，1848—1901)做了一个演讲《为纯科学呼吁》，被后世称为美国科学的独立宣言。他在演讲中激烈批评了美国科学的状况：“美国的科学只存在于未来，它没有今天和过去。……我们厌倦平庸，这是我们国家所遭受的诅咒。……难道我们总是匍匐在尘土中去捡富人餐桌上掉下来的面包屑，并因为我们有更多的面包屑而认为自己比他更富裕吗？……教学工作会消耗大部分精力，这也是绝大多数在教授职位上不进行任何科学工作的人的一个借口。……这类的事实(按：美国的许多所谓大学只有几位教授、十几名学生和几万美元的经费)只会存在于一个民主的国家，它所自豪的是将所有的东西都降低到同一层次。……要让他们(按：美国的大学生)知道他们只接受了一半的教育，他们与世界上的一些人相比如原子般微不足道。……那些拿最高薪水并拥有教授职位的人今天所做的事绝对不是纯科学研究，而是科学知识的商业应用，目的是增加他们已经很高的收入。……如果这位学生被一些当时所谓的好老师所教育，这些老师所知道的只比学生多一点，并常常被学生超过甚至轻视，那么没有人会怀疑这位学生的品味低下。这位学生发现只要他稍加努力，他就能超过他所在的大学中拥有最高荣誉的人；他开始认为自己是一个天才，工作的动力随之消失了。旁边的小土丘让他感到自己是一个伟大的人，但他不知道世界上还有他无法比拟的大山。……在美国人的心中，期望与赌博的欲望被混为一谈，除了它们的名字不同之外，每个机构都在混沌中昏睡，期望时间的流逝能带来繁荣昌盛。……有太多的地方学会被冠以大而不当的名称，每个学会都有自己的知名人士，他们有特权将他们在早晨散步时发现的某些多出一支脚的螃蟹描述为无价之宝。……它(按：美国科学院)没有办法获得像伟大的英国皇家学会、或者是在巴黎、柏林、维也纳和其它欧洲首都和大城市的伟大学院的地位。……在科学方面，我们国家还没有出版过或者即将出版任何中小学教材以上的书籍。……我们国家所做的物理学工作还不足以支撑一个物理学期刊。”
看到这些，你会觉得美国的科学弱爆了。当时肯定也有很多“良心”人士宣称美国不可能搞好科学。但他又说：“慷慨给予是美国人最优秀的品质，这个国家所需要的将会在将来的资金中得到支持。……美国人在小事情上不缺乏发明和创造，当同样的精神被用到知识和对科学的热爱上时，它就会变成研究的精神。”罗兰的结论是热情洋溢的：“我们知道这个国家前进的速度：我们看见城市在一夜之间拔地而起，其它的宏伟事业也以史无前例的速度前进。我们看见了正在建造的物理学实验室，我们看见了对接受过全面训练又不惧怕数学的物理学家的大量需求，需要他们做教授或加入到所谓的现实生活中。也许我们与所有真正的美国人有着同样的感觉，我们的国家正在走向繁荣昌盛的未来，我们将努力成为世界科学的领导，就像我们今天努力成为世界财富的领导一样。”当时的美国和现在的中国是多么相似！
罗兰说美国的物理学工作还不足以支撑一个物理学期刊，这正好引出另一个有趣的故事。美国物理学家伊西多·艾萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi，1898—1988)年轻的时候去欧洲留学，发现美国的物理杂志《物理评论》是被一年一次用船运过去的，说明在欧洲科学界看来美国的物理研究根本不值得重视，用不着及时看。拉比暗下决心，回国后担任了《物理评论》的主编，和同事们把它打造成了世界物理学界最著名的期刊之一，并且自己因为发现核磁共振获得了1944年的诺贝尔物理学奖。美国化学家莱纳斯·卡尔·鲍林(Linus Carl Pauling，1901—1994)也是在去欧洲留学之后，把美国的化学提升到了世界先进水平，并因为提出价键理论获得了1954年的诺贝尔化学奖。
中国量子信息的成功之路
我们来看一个中国的例子。量子信息现在是一个非常热的概念，经常上新闻联播，大家都知道中国的量子信息搞得很好。量子信息究竟是什么？我的科普文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》及其补遗做了一些介绍，将来还会写更详细的科普。量子信息的理论不是三言两语能说清的，应用可以在这里简略说一下。
量子信息的应用分为量子计算和量子通信两大部分，前者比后者的技术难度高得多。量子计算在理论上可以解决很多现在无法解决的问题，或大大加强现有的计算能力，如加速对无结构数据的搜索，模拟真实的量子体系，通过对大整数的质因数分解破解最常用的密码体系。科学家提出了若干种量子计算的实验方案，但目前还没有一种达到实用程度的，都只能做一些算法的演示。例如对于因子分解，传统算法的计算量随位数的变化是指数增长，而量子算法只是多项式增长。这意味着什么呢？分解一个5000位的数字，经典算法(“经典”是跟“量子”相对的词)需要50亿年的时间，量子算法却只需要2分钟！但这么美妙的事只是理论，只是潜在的可能性。真正在量子计算机上分解了的最大的数字是什么？是143 = 11 × 13，这是科大的杜江峰、彭新华等人在2012年实现的。
另一方面，量子通信已经有一个应用了，称为量子密码术。这一个就非常了不起，它在物理原理上阻绝了泄密的可能，是真正的绝对保密。前面说的量子因子分解可以称为最强的矛，而量子密码就是最强的盾。最强的矛能攻破所有经典的密码，只有最强的盾才能抵御它。中国在量子通信领域是世界领先的，多次刷新了传输距离的世界纪录，有一些试验性的政务网络已经在运行中。科大的上海研究院在研制一颗量子卫星，预计2016年发射，用来做卫星与地面之间的量子通信实验。如果成功，就可望建立星地一体的绝对安全信息系统，有非常高的军事与民用价值。
中国的量子信息研究一大半在科大，科大有三个大的研究组：郭光灿院士、潘建伟院士、杜江峰教授。这里来讲讲潘建伟的成才之路。潘建伟在科大硕士毕业后，到奥地利维也纳大学的安东·塞林格(Anto Zeilinger)教授组里读博士。1997年，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(Experimental quantum teleportation)的文章，潘建伟是第二作者。此文第一次实现了量子隐形传态，即科幻电影中的传送术(电影当然是大大夸张了的)，入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”。
后来潘建伟回到科大工作，首先遇到的问题就是人才缺乏。为此他自己继续到国外开展合作研究，同时有针对性的选派学生跟随自己或送到欧美各个先进研究机构学习。派出去的每个人做不同的方向，回来后互相取长补短，团队逐渐成形，就一点点显现出了合作效果。2015年，潘建伟研究组在《自然》上发表题为《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)的封面文章，把量子隐形传态的体系从一个自由度扩展到了两个自由度。用《道德经》的话说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年实现了道生一，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二，这时他已经是量子信息的国际领导者。潘建伟团队从当初的单方向派人去海外学习，已经变成有来有往，目前有2位外籍教授、6名外籍留学生，分别来自德国、法国、加拿大、巴基斯坦等国家。
潘建伟院士 我们来比较一下拉比、鲍林和潘建伟。他们的成长道路很相似，都是先到先进国家学习，然后回国建立团队，把本国提升到先进水平。有些过于保守的人反对出国留学和对外交流，认为关起门来自己搞才是正道，这固然是错误的。但更多的人是过于悲观，认为中国永远都只能跟在人家后面跑，不可能搞好科学，这就更加错误。我亲耳听到过地位很高的人言之凿凿地说“中国人不会创新”，这种人的危害比保守派要严重得多。正确的态度是，“世上无难事，只要肯登攀”。如果说中国没人才，那么耐心培养不就是了？以中国人的文化底蕴、勤奋程度和天分，只要按照科学规律做事，持之以恒地投入，没有做不成的。
科技新闻在你身边
对以上各个结论，人们有一些常见问题。下面我们来拟一个答客问，解释一下若干常见的误解。
问：中国的科学已经这么厉害了？我怎么感觉不到？
答：因为你没有关心这方面的消息。如果你关心的话，就会看到很多。例如2015年3月，理化所和清华大学制备了一种液态金属机器人，含镓的液态合金吸收一小片铝以后，就可以在电解质液体中运动很长时间，能够蜿蜒前进和变形，被比喻为终结者。
2015年3月，军事医学科学院生物工程研究所和天津康希诺生物技术有限公司联合研发出了2014基因型埃博拉疫苗，针对性强，稳定性好，并具备大规模生产技术条件，优于美国、加拿大的需零下80度冷冻保存的1976基因型疫苗，已经治愈了一名英国女兵和一名意大利男护士。
2015年4月，科大建成国际最先进的反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”，我为此写了篇《科普核聚变》以及补遗。2015年5月，中国科学家研发的脱细胞角膜基质“艾欣瞳”上市，这是世界上第一个也是唯一一个完成临床试验的生物工程角膜，为全球6000万角膜盲患者带来复明的希望。2015年6月，南开大学制备了一种特殊的石墨烯材料，用光一照就可以运动，包括太阳光，这是世界上第一种这样的材料，可望实现光驱动的飞行。固然中国的科学宣传还有很大的改进余地，但你如果闭目塞听，只关注明星八卦、飞短流长，那即使有再多的科学成就，你又怎么会注意到呢？
人云亦云与取样错误
问：中国的科学界不是黑幕重重吗？中国的科学体制不是僵化落后吗？中国的科学成果不都是造假的、花钱买的吗？
答：中国这么大，科技人员这么多，自然难免有阴暗面。美国也是如此。但你如果以为全都很阴暗，那就大错特错了。向一流期刊投稿时，审稿人水平很高，而且卡得很严，一心想挑出你的毛病来把你拒掉，造假的有多大几率过关？至于说花钱买，就更可笑了。不要说一流期刊，二流的你去买一篇看看？这都是不可能的事。当然，有些低级的期刊上会有一些甚至很多低价值的以至造假的、花钱买的文章。不过学术界都知道这些期刊水平很低，不会把上面的文章当成像样的学术成果。向一流院校求职时，低级别期刊的文章不但没有正面作用，而且有负面作用。总之，把科学界当成商场官场，是无知无识者常犯的毛病。科学是最客观、最公正、最富智慧含量的人类事业，许多在别的领域适用的在科学中是不适用的。
至于说中国的科学体制，当然有很多可以改进的地方。但这个体制毕竟实现了中国科技的快速发展，可见总体上还是成功的。巧妇难为无米之炊，体制再好，没钱也干不成事。用飞机来打比方，体制好比机身布局，投入好比发动机。发动机推力不够，再符合空气动力学的机身也飞不起来。推力够了，一块砖头都能飞上天。投入不足对中国科技的损害比体制问题大得多，许多被一般人归结为体制问题的，其实是投入不足造成的。人云亦云地谈论体制问题，是缺乏技术含量的无聊行为。
问：(某人对杨振宁《近代科学进入中国的回顾与前瞻》的评论)我的天……最后一节完全不敢苟同……估计全世界都公认中国学生是最聪明最勤奋最守纪律的……可是……那又怎么样呢？看看现在的中国，问题难道是出在人还不够聪明身上嘛？麻木冷漠的国人，专制独裁的体制，没有大无畏的勇气挑战这个社会的世俗，再聪明的学生也只是百无一用。
答：这是一个很典型的观点。它反映了一种很典型的错误思维模式：取样错误。许多人看看自己和身边的人，觉得都不怎么样，于是就对范围大得多的问题丧失了信心。但是别忘了，搞科研的不是这些人，而是那些最聪明、最专业、最有好奇心的人，社会中最先进的少部分人。你不能根据身边没人能百米跑进11秒就断言全国都没人能做到，同样也不能根据身边没人能做出一流的科研成果就断言别人也不能。其实“物以类聚人以群分”是普遍现象，如果你身边的人水平都不高，那很可能是因为你的水平就不高。
许多领域都符合“二八定律”，即20%的人干了80%的事。对于科研，这个比例相差得只会更高，比如说10%的人干了90%的事，甚至是1%的人干了99%的事。罗兰在《为纯科学呼吁》中说：“在自然界中有一个即使民主也不能改变的事实是：人是不平等的，一些人有(聪明的)大脑、一些有(灵巧的)手。对平等的空谈不可能推翻这些自然的规则。”许多人从来没见过科研工作者，这很正常，但这并不妨碍科研工作者做事。印度的文盲率比中国高得多，还有神奇的种姓制度，可是人家不照样探索火星吗？
