新型材料在土木工程中的应用

1、新型材料在土木工程中的应用课程内容一 、土木工程与可持续发展二、绿色建材及其可持续发展三、几种主要的建筑材料的新进展四、土木工程新技术、新工艺 1、地下空间开发 2、装配式建筑 3、建筑节能问题五、纤维增强复合材料在工程 结构中的应用 适用专业：土木工程 教材： 新型建筑材料 姜继圣 张云莲 王洪芳 编 机械工业出版社 参考书： 土木工程科学前沿叶列平等 清华大学出版社 世界第二大经济体真的是靠低技术撑起来的？ 科学中，不同的事实材料有不同的重要性。判断哪些事实最重要，最值得解释，是需要洞察力的。 爱因斯坦从测量地球在以太中漂移速度的否定结果，领悟到以太根本不存在，光速在所有惯性参照系中都相等

2、，以此为基础建立起了狭义相对论的大厦。 民科常犯的一个错误就是用细节问题否定基本理论，各种推翻相对论、量子力学的尝试大都是如此。细节问题之所以困难，往往是因为影响因素太多，研究者难以把握。 例如一片树叶下落的运动，跟树叶的质量分布、每个瞬间的气流都有关系，要描述清楚极其困难。 而最重要的事实、大趋势反而是相对简单的，只要抓住几个关键因素，就能得出深入的结论。 所以预测一只股票的价格非常困难，预测一个国家的经济增长率却要容易得多。 人类社会哪些事实是最重要的？ 如果我们发现了一个外星文明，我们最先想知道的是他们的什么？ 或者有外星人在观察地球，他们会首先关注我们的什么？ 是科技水平或说科技与文明

3、等级。从能源的角度看，用火的文明，用畜力的文明，用蒸汽机的文明，用电力的文明，和用核聚变的文明，发展程度是完全不同的。 从材料的角度看，用石头的文明，用青铜的文明，用铁的文明，用化学合成的塑料、橡胶、纤维的文明，和用刘慈欣科幻小说三体中的强相互作用材料“水滴”的文明，发展程度是完全不同的。根据三体小说的设定，“水滴”用强相互作用材料制成的 高等级的文明遇到低等级的文明，就是碾压。在同一等级的文明之间，即使政治制度、意识形态、文化传统相差很远，还是可以平等对话的。如果我们发现一个外星文明处于冷兵器时代，我们不会紧张，该担心的是他们。 如果发现他们会使用不可控的核聚变(即氢弹)，跟我们并驾齐驱，我

4、们就要认真对待了。如果发现他们会可控核聚变，会星际航行，我们就只好祈祷他们是善意的了，因为他们要消灭我们只是举手之劳。 1964年，苏联天体物理学家尼古拉谢苗诺维奇卡达谢夫提出了卡达谢夫标度，用一个文明能够用来通讯的功率衡量这个文明的技术水平。 按照他的标度，I型文明能够调集与整个地球的输出功率(10的15次方至16次方瓦特)相当的能量用于通讯； II型文明能够把一颗恒星的输出功率(10的26次方瓦特)用于通讯，III型文明能够把一个星系的输出功率(10的36次方瓦特)用于通讯。 人类现在还没达到I型，仅是0.72型。考虑到1900年的时候我们还只是0.58型的文明，进步速度已经很快了。也许再

5、过几百年，人类就能进入I型文明。 科技水平是国家实力、人民生活水平的最本质的标志。 当今世界科技水平最高的国家显然是美国。 中国的科技水平跟美国有显著差距，但属于同一级别，是第一集团。 科学技术分为基础研究、应用研究、工业技术、生产经验等多个层次。各个层次之间既有密切的联系，也可以有一定程度的不同步。 基础研究的成果，绝大部分情况下表现为发表在科学期刊上的学术论文。 但是不同的论文之间水平相差很远，科研人员对论文质量的重视程度远远超过数量。如何评价论文的质量？ 世界上的论文早已汗牛充栋，现代科学又分得越来越细，即使对相近专业的论文也可能不足以给出评价。 快速地估计文章质量简单而有效的办法是看它

6、发表的期刊 在现代科研体系中，文章是由刊物的编辑和审稿人把关的。世界上有数以万计的科学期刊，不同的期刊之间审稿标准相差很远。 英国的自然(Nature)和美国的科学(Science)是两家最著名的顶级期刊，它们的文章范围涵盖整个自然科学。 还有一些声名卓著的杂志涵盖整个一级学科，如物理评论快报、美国化学会志、德国应用化学、化学科学。 一些质量很高的杂志覆盖一个二级学科，如有机化学通讯、高能物理杂志。再往下，门槛越低，杂志越多。 这是一幅学术金字塔的图像。 把哪些杂志称为一流是有一定任意性的，但出入也不会太大，科研工作者的共识比歧见多得多。自然指数 自然的发行者自然出版集团提出了一套衡量国家或研

7、究机构基础科研产出的指标，称为自然指数。他们挑选了68家一流期刊，统计每个国家或研究单位在这些期刊上发表多少论文。这是最基础的指标，称之为文章计数(article count，AC)。 这并不是说不在这68家杂志上的文章都不好，出自档次比较低的期刊的重要文章也不少，还有得到诺贝尔奖的。也不是说这68家杂志上的文章都很好，这些文章中也难免有一些价值不大的。 但毕竟，在这68家杂志中出现重要文章的概率比在其它杂志上大得多。在不知道更多信息的情况下，你看到一篇出自这些杂志的文章和一篇出自其它杂志的文章，可以十拿九稳地猜测前者比后者重要。 当代科学合作很频繁，一篇文章经常有多个跨单位甚至跨国的作者。

8、以他们又做了进一步的分析，把一篇文章平均分给每个作者，再根据每个作者的地址信息确定每个国家或单位占多少份额，称为分数计数(fractional count，FC)。 比如一篇文章有两个作者，一人来自中国，一人来自美国，那么中美就各得到0.5的FC。 此外，在这68家期刊中的天文学论文占世界所有天文学论文的比例大约是其它学科的5倍，因此他们又把天文学论文的权重乘以0.2， 把FC调整成加权的分数计数(weighted fractional count，WFC)，作为最重要的评判指标。这套做法在期刊的选取、各个作者的贡献等细节上当然还有很多可以商榷或改进的地方，但基本思路是合理的，参考价值比较高。

9、 2014年12月，自然出版集团公布了2014年(实际上是2013年12月至2014年11月)的统计结果。美国的WFC排第一，18643。中国第二，5206。德国第三，4077。 四到十位是日本、英国、法国、加拿大、西班牙、瑞士、韩国，从3371到1151。超级大国苏联的继承者俄罗斯不在前十之中。 可以看出美国非常强大，WFC是中国的3.6倍。中国排第二，达到德国的1.3倍、日本的1.5倍，也相当不错。校与科研院所排名 再从研究单位的角度看，WFC最高的是哪一家？答案是中国科学院，高达1209，是第二位哈佛大学(852)的1.4倍。也许你会说这不公平，中国科学院是由许多研究所组成的，跟一个大学

10、没有可比性。 第三位是德国马克斯普朗克学会(729)，第四位是法国国家科学研究院(721)，它们都和中国科学院类似。可见至少在科学协会之间比，中国科学院排第一是没有疑问的。 再仔细想想，一个大学有很多院系和专业，而像中国科学院化学研究所、中国科学院等离子体物理研究所这样的研究所只对应于大学的一个学院、一个系甚至一个专业，所以把协会和大学的科技产出做对比也未尝不可。以上结果对科学界之外的人来说可能有点意外，但对科研工作者来说很正常，因为符合我们的日常感觉。 仅仅十多年前，中国的一流文章还非常少见，很多教授都从来没发过，有一篇就显得很高大上了。进入21世纪以来，中国科技论文的数量和质量都出现了爆炸

11、性的增长，对人才的标准也一路水涨船高。 美国的一流和二流大学的研究水平是非常高的，随便找出一个教授来都是响当当的人物，还有一大波诺贝尔奖得主。不少诺贝尔奖得主是在美国二流大学工作的。 十年前，中国大学的研究水平整体而言跟美国还没得比. 不过中国的进步非常快，现在中国一流大学的研究水平已经接近美国的二流大学了。武书连2015中国大学综合实力100强排名 校名 总得 人才培养 科学研究 学校类型学校参考类型 1 北京大学 205.71 92.16 62.12 综合综合类研究1型 2 浙江大学 202.25 87.28 61.40 综合 理科类研究1型 3 清华大学 195.90 88.72 57.

12、61 理工 文理类研究1型 4 上海交学 151.82 67.58 45.41 综合 理科类研究1型 5 复旦大学 140.03 61.09 42.23 综合 综合类研究1型 6 南京大学 125.67 57.38 36.94 综合综合类研究1型 7 武汉大学 112.17 55.03 31.95 综合综合类研究2型 8 四川大学 111.23 52.64 32.94 综合综合类研究2型13吉林大学90.9345.9626.6719.2944.9733.6611.31吉1综合综合类研究2型9中山大学107.0948.7931.5117.2858.3042.6815.63粤1综合综合类研究1型1

13、0山东大学105.8850.0130.2619.7555.8843.1412.74鲁1综合综合类研究2型11华中科技大学102.1148.7130.4418.2853.3942.6810.71鄂2理工综合类研究2型12哈尔滨工业大学91.1243.0327.4715.5648.0945.312.78黑1理工工学类研究2型14南开大学84.8739.7224.6615.0645.1625.7619.40津1综合综合类研究1型15西安交通大学80.5440.0223.0117.0140.5232.128.40陕1综合文理类研究2型中国科学技术大学79.2835.7825.0110.7743.504

14、1.242.26皖1理工理科类 研究1型17东南大学78.7639.3322.1317.2039.4433.416.03苏2综合工学类研究2型18中南大学77.5038.7522.6816.0738.7533.595.16湘1综合理科类研究2型19中国人民大学72.9837.1020.20厦门大学69.8934.7819.7315.0535.1121.1313.98闽1综合综合类研究2型21华南理工大学69.6233.5619.7713.7936.0631.644.42粤2理工工学类研究2型22同济大学68.9835.3219.6915.6333.6629.933.73沪3理工工学类研究2型2

15、3大连理工大学66.8032.9119.3513.5633.9029.933.96辽1理工工学类研究2型24天津大学66.7133.2718.9314.3433.4429.933.51津2理工工学类研 究2型 25北京师范大学64.9833.6017.9315.6731.3814.4316.95京4师范文理类研究1型 26北京航空航天大学63.7030.7218.8911.8332.9829.583.40京5理工工学类研 究2型 27重庆大学58.7629.6016.9112.7029.1622.416.75渝1综合文理类研究2型 28兰州大学55.9026.2316.489.7529.662

16、5.184.49甘1综合理学类研究2型 29西北工业大学52.5227.5114.4113.1025.0123.601.42陕2理工工学类研究2型33华东师范大学49.4625.6013.9311.6723.8612.8710.99沪4师范文理类研究2型34湖南大学49.1725.2514.5510.7023.9117.366.56湘2综合综合类研究2型35华东理工大学49.0823.2514.059.2025.8424.151.68沪5理工工学类研究1型30北京理工大学50.2324.8014.1310.6725.4323.571.86京6理工工学类研究2型31中国农业大学50.0122.8

17、114.428.3927.2124.033.17京7农业理科类研究1型32苏州大学50.0024.0714.609.4725.9320.865.07苏3综合综合类研究2型36南京航空航天大学42.3821.2511.939.3321.1217.903.22苏4理工工学类研究2型37郑州大学39.6725.239.5715.6614.4311.033.41豫1综合综合类研教2型38华中师范大学38.8720.6511.219.4418.226.4311.79鄂3师范文理类研教1型39南京农业大学38.7618.9511.087.8819.8115.973.84苏5农业文理类研究2型40电子科技大

18、学37.8220.7710.859.9217.0515.00 西南大学 37.73 21.09 10.29 综合综合类研教1型42东北大学 37.54 21.07 9.41理工文理类研教1型43武汉理工大学 37.20 21.96 10.17理工工学类武书连微博2015中国大学教师平均学术水平前100名(表中“教师平均学术水平”一栏的数据，是以全国734所大学的教师平均学术水平为1计算的)2015中国大学教师平均学术水平排名等级校名教师平均学术水平科研当量人数科研成果得分省份主管部门备注1A+中国科学技术大学5.0736242243.500安徽中国科学院国家重点建设大学2A+南京大学4.808

19、2401268.287江苏教育部国家重点建设大学3A+浙江大学4.60467053114.972浙江教育部国家重点建设大学4A+北京大学4.54767054113.553北京教育部国家优先发展大学5A+复旦大学4.4584500278.943上海教育部国家重点建设大学6A+清华大学4.42536841107.178北京教育部国家优先发展大学7A+上海交通大学3.6466652684.241上海教育部国家重点建设大学8A+南开大学3.4970364845.156天津教育部985工程大学9A+中国农业大学3.4319223927.206北京教育部985工程大学10A+华东理工大学3.3277219

20、325.838上海教育部211工程大学11A+中国人民大学3.2667310335.885北京教育部985工程大学11A+中国人民大学3.2667310335.885北京教育部985工程大学12A+北京化工大学3.2512134415.474北京教育部211工程大学13A+北京师范大学3.1970277331.384北京教育部985工程大学14A+中山大学3.1266526858.303广东教育部985工程大学15A+华南理工大学2.9420346236.056广东教育部985工程大学16A+东南大学2.8609389439.437江苏教育部985工程大学17A+天津大学2.852833113

21、3.440天津教育部985工程大学18A+北京航空航天大学2.8182330632.980北京工信部985工程大学19A+大连理工大学2.8143340233.895辽宁教育部985工程大学20A+山东大学2.7169580955.876山东教育部985工程大学21A+哈尔滨工业大学2.7161500248.090黑龙江工信部国家重点建设大学22A+南京农业大学2.6775209019.808江苏教育部211工程大学23A+四川大学2.6677620458.590四川教育部985工程大学24A+兰州大学2.6573315329.663甘肃教育部985工程大学25A+江南大学2.63681908

22、17.808江苏教育部211工程大学26A+武汉大学2.5181641057.141湖北教育部985工程大学27A+华中师范大学2.5108205018.223湖北教育部211工程大学28A+厦门大学2.5022396435.113福建教育部985工程大学29A+华中科技大学2.4998603353.393湖北教育部985工程大学30A+西安交通大学2.4967458540.520陕西教育部国家重点建设大学31A+南京航空航天大学2.4772240921.122江苏工信部211工程大学32A+华东师范大学2.3994280923.860上海教育部985工程大学33A+湖南大学2.3210291

23、123.914湖南教育部985工程大学34A+北京理工大学2.2884313925.430北京工信部985工程大学35A+东北师范大学2.2594196615.724吉林教育部211工程大学36A+西北工业大学2.2285317125.014陕西工信部985工程大学37A+华中农业大学2.1946186514.487湖北教育部211工程大学38A浙江师范大学2.141012739.646浙江浙江省39A中南大学2.1025520638.750湖南教育部985工程大学40A中国药科大学2.094710177.540江苏教育部211工程大学41A重庆大学2.0824395629.162重庆教育部9

24、85工程大学42A东华大学2.0480185913.477上海教育部211工程大学43A南京工业大学2.0332164711.854江苏江苏省44A西北大学2.0291165011.852陕西陕西省211工程大学45A苏州大学2.0210362425.927江苏江苏省211工程大学46A同济大学1.9384490533.659上海教育部985工程大学47A南京师范大学1.9117214714.531江苏江苏省211工程大学48A首都医科大学1.8956205713.805北京北京市49A西北农林科技大学1.8798235515.669陕西教育部985工程大学50A沈阳药科大学1.8484769

25、5.029辽宁辽宁省51A浙江工业大学1.8455182911.949浙江浙江省52A陕西师范大学1.8178182311.733陕西教育部211工程大学53A中央音乐学院1.78783141.988北京教育部211工程大学54A北京工业大学1.7561185611.541北京北京市211工程大学55A江苏大学1.7537252915.698江苏江苏省56A电子科技大学1.7509275117.051四川教育部985工程大学57A暨南大学1.7383256915.810广东国务院侨办211工程大学58A吉林大学1.7224737544.970吉林教育部985工程大学59A南京理工大学1.717

26、3257815.670江苏工信部211工程大学60A中国石油大学(北京)1.706410476.326北京教育部211工程大学61A西安电子科技大学1.6929247114.810陕西教育部211工程大学62A华南师范大学1.6893220613.193广东广东省211工程大学63A上海音乐学院1.66042911.708上海上海市64A中国海洋大学1.6308206811.937山东教育部985工程大学65A哈尔滨工程大学1.6122230913.177黑龙江工信部211工程大学66A宁波大学1.590014678.256浙江浙江省67A福州大学1.5885192610.830福建福建省21

27、1工程大学68A上海大学1.5770331518.506上海上海市211工程大学69A上海财经大学1.563913807.639上海教育部211工程大学70A北京科技大学1.5515256214.073北京教育部211工程大学71A燕山大学1.515817939.619河北河北省72A南京医科大学1.476617459.124江苏江苏省73A湘潭大学1.461015738.137湖南湖南省74A浙江工商大学1.426311685.899浙江浙江省75B+西南大学1.4246329816.635重庆教育部211工程大学76B+浙江理工大学1.423811845.969浙江浙江省77B+东北大学1

28、.4191327916.472辽宁教育部985工程大学75B+西南大学1.4246329816.635重庆教育部211工程大学76B+浙江理工大学1.423811845.969浙江浙江省77B+东北大学1.4191327916.472辽宁教育部985工程大学 人们的期待值发生了变化，中国的研究单位作出世界一流的成果不会令人感到惊讶了。 进步也表现在广度上，以前只有中国的一流院校才能指望作严肃的研究，现在连一些二流院校都不时发一篇自然、科学了。 中国的上升势头之猛可以从各国2014年与2013年WFC的对比上看出来。美国下降0.8%，德国上升1.0%，日本下降2.3%，英国上升0.9%，然后六到

29、十位的法国、加拿大、西班牙、瑞士、韩国都是下降的。 中国上升14.9%！如果保持14.9%的增速，5年就会翻一番。如果中美都保持14.9%和-0.8%的变化率，8.7年后中国就会赶上美国。 自然出版集团的WFC数据是每月更新的。现在显示的是从2014年6月到2015年5月的统计，跟2014年12月的数据相比刚好过去了半年。 仅仅半年时间里，中国的WFC又从5026变成了6318，增长25.7%！按照这样的速度，两个半年即一年就会增长58%，达到7942。 以后如果看到报道中国2015年的WFC达到7000甚至8000，不要感到奇怪。与此同时，美国的WFC从18643变成17448，下降6.4%

30、； 德国从4077变成3939，下降3.4%。在半年时间里，美国对中国的比例从3.6缩小到2.8，中国对德国的比例从1.3扩大到1.6。 如果这种种令人咋舌的速度持续下去，中国超越美国所需要的时间就不是9年，而是3年！我们有可能在2017年就看到！此外，俄罗斯(338)排在第十九位，中国是俄罗斯的18.7倍。 还有另外一个维度可以考察一下。前面说的WFC来自对68个一流期刊的统计，但这些期刊的学术地位并不相等。 自然和科学的学术声誉和发表难度比其它大多数一流期刊更高，我们可以把它们作为顶级期刊的代表。 自然出版集团也给出了只限这两个杂志的WFC，我们姑且把它作为各个国家或研究机构发表顶级论文的

31、指标。 从2014年6月到2015年5月，国家中最高的是美国(860)，然后是英国(144)、德国(116)、法国(67)，中国(58)只排在第五位。研究单位中最高的是哈佛大学(75)，而中国科学院(17)只排到第十五位。 这里固然有自然与科学对英美特别照顾的因素，不过也反映出我们在顶级论文中的地位比在一流论文中的地位低一截。 当然这个代表性低一些，因为历史上发表在自然与科学之外的里程碑式论文(包括许多得到诺贝尔奖的)实在是太多了，远远多于发表在自然与科学及那68个一流期刊之中的，不过仍然不妨做个参考。 换句话说，就是我们的优势主要在于次顶级的成果。后面将会谈到，这是一个具有某种普遍性的现象，

32、而且与中西的历史与文化有关。五大知识产权局的专利数据基础研究的产出可以用科学论文度量，下面我们再来看应用技术的产出，用专利度量。 世界五大知识产权局是欧洲专利局、日本特许厅、韩国特许厅、中国国家知识产权局和美国专利商标局，五局处理了世界80%的专利申请，承担了专利合作条约95%的工作。 从2012年以来，五局每年联合发布统计报告。2015年初，五局发布了2014年的主要统计数据报告。 专利分为发明专利、实用新型专利和外观设计专利，显然发明专利是与科技水平相关程度最高的。五局的主要统计数据报告中列出的全都是发明专利的数据。 2014年五局共收到230万件发明专利申请，其中最多的是中国，高达92.

33、8万件，占了40%！其次是美国，57.9万件。日本、欧洲、韩国分别是32.6、27.4和21.0万件。 这是中国连续第四年居于发明专利申请量第一的位置。跟2013年相比的增速，中国也是最高的，达到12.5%。美日欧韩的增速分别是1.3%、-0.7%、3.1%和2.8%。 有一点需要注意的是，每个知识产权局的申请人都来自全世界，不只是自己国家。在中国国家知识产权局的申请人中，86%来自中国，4%来自美国。而在美国专利商标局的申请人中，只有50%来自美国，3%来自中国。 在授权方面，中国国家知识产权局的专利权人中，来自中国和美国的分别占70%和7%。美国专利商标局的专利权人中，来自美国和中国的分别

34、占48%和2%。显然，美国专利的国际化程度比中国高不少，吸收外国智力成果的能力值得我们学习。研发人员与经费 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

35、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

36、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。 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

37、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

38、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

39、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

40、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

41、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

42、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

43、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

44、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

45、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，18481901)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

46、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

47、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

48、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

49、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，18981988)年轻的时候去欧洲留学，发现美国的物理杂志

50、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，19011994)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

51、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

52、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。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

53、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

54、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

55、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

56、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

57、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，

58、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

59、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

60、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