美国科研还是世界第一吗？|《自然》长文

原文作者：Jeff Tollefson & Richard Van Noorden

大部分指标显示， 美国的科学发展从未如此强大。

美国过去五年获得的诺贝尔科学奖数量超过其他所有国家总和，并从20世纪中叶以来一直“称霸”诺奖。2020年，两家美国药企带头研发了遏制大流行的疫苗。两年后，加州一家初创公司推出了人工智能 （AI） 工具ChatGPT；美国一个国家实验室突破了实现核聚变的基本障碍。

今年， 美国将按计划在研发上投入远超其他国家的1万亿美元 。美国的实验室吸引着全球科研工作者，美国科学、技术、工程和医学 （STEM） 领域有博士文凭的劳动力中，43%的人为非美国出生。

但是，随着新一届美国总统和国会的诞生，有些科学领袖担心美国会让位给其他科研强国，特别是中国—— 中国已经在许多领先的科学指标上超越美国。 美国国家科学院主席Marcia McNutt在6月的一次演讲中表示， “美国科学被认为——也正在——失去在STEM领域的全球统治地位。”

这些担忧从研发资助受限，科学日益政治化，一直到关于移民的激烈争论。这给人“美国对外国人越来越不友好的印象”，美国国家科学院、工程院和医学院 （NASEM） 在8月发布的报告 [1] 写道， 提醒美国“不能再想当然地认为自己一直是全球卓绝人才的聚集地” 。NASEM呼吁政府采取行动来吸纳和留住国际人才，并提升美国STEM教育水平。

美国科学的未来在很大程度上取决于11月大选的结果。新任总统和国会的关键作用包括制定影响国际合作走向的资助计划、移民政策和国家安全措施，为美国科学今后数年的发展指明方向。

基于对美国科学领导地位的担忧，美国的现状如何？选举后又会是哪番景象？《自然》在此深入分析了决定美国科研未来的相关数据和关键议题。

资金是科研的驱动力，美国长期以来一直处于科学技术的领导地位，很大一部分源于它的支出超过其他所有国家。算上政府和民间资助，美国2022年 （有完整数据的最近年份） 支出9230亿美元，约占全球研发投入的30%。

但随着中国经济的腾飞， 中国的研发投入也增加到了8120亿美元左右 （经购买力平价调整） 。照此发展， 中国将在2030年前与美国持平 （见“经费竞赛”） 。

如果只看人才、科研产出和专利数量，美国的领先地位已然不保。 2016年，中国的科学和工程论文产出已经位居世界第一。 根据美国国家科学基金会 （NSF） 3月的一份报告 [2] ，中国授予的科学和工程学博士学位数量在2019年已经超过美国；中国的国际专利申请数量在2021年跃升至世界首位。

多年来，专门分析科学指标的部分研究人员认为，中国的科研产出质量仍落于人后，但这一情况也有所改观。比如，Web of Science数据库的数据显示，2020年， 中国在全球前1%高被引论文 （衡量高影响力科研的替代指标） 中的占比超过了美国 （见“最高引论文”） 。

中国在工程学、化学、材料科学方面的优势尤其明显，而美国在生物学和医学等领域保持领先 （见“谁是各个科学领域的第一名？”）

统计引用量不是衡量影响力的一个完美指标：今年的一项研究发现， 中国科研群体有强烈的“本土偏好”——即不成比例地引用自己国家的研究 [3] 。 调整这一偏好后会拉低中国的位置——该研究认为会降至全球第四——但并不会很大改变其进行方向。

中国科研质量相对其他国家的进步还体现在其他方面。去年，中国在高影响力期刊中发表的论文数量超过了美国 （见“高影响力期刊论文占比”） 。

中美两国谁是第一有关系吗？ 有些政治论调将这些趋势说成是“零和博弈”。但在科研中，一国的胜利不必然等于另一国的失败，俄亥俄州立大学的科研政策专家Caroline Wagner说道。

引用量靠前的论文全都是美国、中国和欧洲科研人员的合作成果，她说。 如果中国等国家增加投入科研的资金，这也会惠及美国，只要美国能留住勇于创新的全球卓越科学家，并坚守美国自己的经费投入和科研质量，英国曼彻斯特大学的科研政策分析师Kieron Flanagan说。

当前关于美国科学的警钟，有点类似政策圈每一代都会响一次的警钟。比如2005年，美国国家科学院就发布了一份《立于风暴之上》 （ Rising Above the Gathering Storm ） 的警示性报告，提醒全球化对美国竞争力的威胁 [4] 。

该报告的一个建议是将数学、工程学和物理科学的基础科研经费增加一倍，与美国国立卫生研究院在1998年至2003年间预算翻倍保持一致。决定资助程度的美国国会在2007年通过一项法律承诺会这么做，但议员后来没有兑现这些承诺。

历史正在重演。2022年的矛头指向了中国，国会联合通过了《芯片与科学法案》 （CHIPS and Science Act） ，该法案批准将2800亿美元用于推广美国半导体产业并增加多个主要科研机构的预算。这项立法的一个主要受益者是NSF，NSF在2023年的预算增加了11%至99亿美元，但国会在敲定今年预算时又跌回了91亿美元。

作为GDP的一部分，对NSF、美国能源部科学办公室以及美国国家标准与技术研究院——都是物理科学基础科研的主要资助机构——的公共投资比1997年以来的任何时候都低，美国大学协会政府关系与公共政策副主席Matt Hourihan表示 （见“联邦科研强度减弱”） 。美国科研投入占GDP的份额仍在增加，但这是因为来自民营企业的研发投入填补了这一差额。

“我们一定要让联邦政府的研发资助回到健康的轨道上来，”美国前总统拜登的科学顾问、白宫科技政策办公室 （OSTP） 主任Arati Prabhakar说。民间研发的强势上扬对就业和经济很好，但无法取代联邦投入的规模，她向《自然》表示。

确实，这些趋势解释了中美权力平衡的变化，分析公司科睿唯安 （Clarivate） 科学信息研究所首席科学家、常驻伦敦的Jonathan Adams表示。Adams指出，美国在其主要投入领域保住了领先地位，如生物医学研究。相比之下， 中国正在材料科学、物理科学和计算机科学这些美国投入不够的领域赶超美国。

1月将面临的新问题是，下一届总统和国会是否能共同推进两个政党之前对科研资助做出的承诺。这在很大程度上要看谁将控制当前分裂的参众两院——当前民主党拥有参议院的控制权，而共和党在众议院中占多数席位。

在决定开支的优先事项时，无论总统对预算有何提议，国会一般会自己决定。比如， 虽然特朗普总统曾反复要求削减科学预算，但正是在他上一任期间，国会打破了自己设定的预算上限 ，除了特朗普政府要求增加的国防开支外，还大举提高了对科研机构的经费支持，美国生物实验学会联合会的公共事务处负责人Jennifer Zeitzer说。

如今，议员们再次受限于在2025年前控制整体开支的预算协议，这可能会增加提高STEM开支的难度，但尚不清楚新一任总统和国会在明年会有哪些讨论结果。

Zeitzer说：“我叫它甩鞭效应。”变化的政治风向不断用重大承诺“冲击”资助机构——偶尔也会带来大额投入——但最终不可避免地回到紧缩。一半时间内，资助机构只能在临时预算和政府停摆的风险下行事。Zeiter说： “如果这样的光景还要持续20年，我不知道我们哪来的竞争力。”

由于美国非常依赖国际人才来带动它的科研引擎，所以一个关键问题是， 美国是否能一直保持全球科研人员向往研究和工作的目的地 。相关数据的解读方式有好几种。

美国对海外科研人员的依赖更大：去年毕业的超过1/3的科学和工程学博士为留学生 （持临时签证） ，计算机科学的比例达59% （见“美国依赖国际人才”） 。 “我们对外国人才的依赖程度已经达到了历史高点。” 科技巨头IBM在纽约的科研主管、管理NSF的美国国家科学委员会现任主席Darío Gil说。

这些学生大部分来自中国和印度，而中国更是远超印度。根据2022年的数据， 77%的在美获得博士学位的中国留学生表示，他们计划留在美国，这个比例在之前五年里只有小幅下降。

根据经合组织的数据 [5] ，整体上，美国仍是国际留学生的首选地，美国在2020年拥有全球15%的留学生——2020年是有可比较数据的最近年份。

但也有迹象表明，美国的优势可能在失去。美国的留学生占比自2000年的23%以来一直在减少 [5] 。虽然入学人数在疫情期间的短暂下跌后恢复至历史高点 （见“国际留学生反弹”） ， 但美国在中国头部人才的眼中是否仍有足够吸引力却是一个问题。

中国仍然是美国首要科研合作对象，但中美研究人员合作的论文数量却在下降 ——尽管中国与竞争对手的合作一直在增加 （见“中美合作降温”） 。

某些国会议员或许很乐意看到这样的趋势。他们声称由美国纳税人资助的研究落入中国军方手中是危险的，国会共和党人正在推动立法限制大学科研人员能开展的合作种类。

关于移民和科研安全的问题在特朗普上一次执政期间达到顶峰。首先是主要影响多个穆斯林占多数国家的临时旅行禁令。随后是联邦政府打击学术间谍的“中国行动计划” （China Initiative） ，这个计划因诱捕与中国有联系的学者而被谴责为种族主义，包括许多美籍华裔公民。

拜登后来终止了这两项政策，但许多学者表示，特朗普获选后可能会重新恢复。10月，特朗普承诺将重启旅行禁令，而控制美国众议院的共和党也已批准立法，一旦通过基本上将重启“中国行动计划”。

这些紧张局势可能已经带来了冲击：美国调查显示，许多中国研究人员担心会在“中国行动计划”后受到偏见。今年发表的一项研究 [6] 分析了中国学生对申请美国博士课程的倾向，并与非中国学生的对照组进行了对比。两组到2016年的步调基本一致， 但到了2019年，中国学生的入学意愿降低了15%，他们更多地前往非美国的英语国家深造。 （疫情期间入学率大幅下降说明该研究无法可靠地外推至后面几年，该研究尚未经过同行评议。）

虽然中国学生在美国大学的入学率在疫情后迅速恢复，但中国头部优秀的学生可能会另谋高就 ，纽约锡拉丘兹大学的亚洲/亚裔美国人研究项目主任马颖毅说，激进的反中国论调可能是一个原因，但中国研究生拥有更多本土机遇以及工作签证难也是原因。

另一个国会更容易解决的问题， 是美国给永久居民颁发的“绿卡”配额 ，康奈尔大学移民学者、近期在拜登的白宫OSTP就职的Amy Nice说。拜登政府一直在现有法律制度下向着这个方向努力，但最终要由国会决定是否增加绿卡数量。Nice说：“这是国会解决这个问题的一个办法。”

不是所有人都认为美国学术机构的国际人才危机迫在眉睫。纽约的国际教育协会首席执行官Allan Goodman指出，美国不是唯一对移民施压的国家：加拿大、英国等国家也在这么做。这意味着国际留学生能选择非美国国家更少了。

Gil还表示，他没有看到证据显示中国学生不愿意来美国。“来美深造的意愿非常大，”他说，一个更大的问题是如何鼓励美国学生投身于科学技术，他提到美国学生的数学成绩一直在下滑。

在美国大学里，各种问题滋生着日益紧张的情绪，包括加沙-以色列战争，推动多元、平等与包容的行动，跨性别个人的权利等。在政治两极化的大背景下，这些文化战吞噬着大学校园，导致一些议员对科研人员的研究和教授内容作出限制，并削减了鼓励多元、平等与包容的政策。NASEM在8月的报告 [1] 关注了这些情绪，担心美国在外国人心中的形象开始受损。该报告指出， “一个国家吸引和留住人才的主导性优势是它的无形资产：价值观、自由和机遇。”

和拜登一样，前副总统卡玛拉·哈里斯曾被认为会推进科学友好的预算，重视科学在解决气候变化和改善公共卫生方面的作用。而特朗普和他任命的团队在执政期间反复贬低政府科学家和机构，尤其是在气候变化和公共卫生这类议题上。