1 引言
物理学是研究物质结构及其运动规律的基础学科,是自然科学领域最基本、最核心的学科之一。我国物理学研究起步较早,经过长期坚持和多年积累,近年来研究水平达到了一定高度,重要基础设施和实验条件得到了明显改观。中国物理学研究已从过去的跟踪学科前沿发展逐步进入推动学科前沿发展的新阶段。为准确了解我国物理学发展的现状与潜力,有必要对中国以及世界主要国家的物理学发展态势进行梳理和评估。本文从科研产出的角度出发,以2006–2015年科睿唯安（Clarivate Analytics）的Web of Science（缩写WoS）数据库论文（简称SCI论文）作为样本,对中国与世界主要科技国家物理学的学科规模、学术影响力、高被引论文、重要期刊论文、国际合作、分支学科布局等方面展开评估,绘制物理学发展态势的“地貌图”,全面分析我国物理学所处的国际地位,为我国物理学学科发展战略提供参考依据。
2 产出规模与影响力
2.1 论文产出
论文是科学研究的主要成果产出形式,论文数量可以大体揭示出一个国家科学研究的产出规模。2015年,中国物理学领域SCI论文数量居世界第1位,达到51 670篇,是第2名美国的1.3倍,是第3名英国的3.0倍,表明中国在产出规模方面具有领先优势（见
图1、
表1）。
从论文世界份额的角度看,2010–2015年,中国与美国的SCI论文数量分别占世界论文总数的21.6%和20.3%,同期,其他国家（地区）的这一份额均未超过10.0%（见
表1）。
从发展变化的视角看,2006–2015年期间,中国物理学的研究规模增长迅速,SCI论文数量由2006年的19 928篇上升至2015年的51 670篇,增长1.6倍,年均增速达到11.2%。2006年美国的论文量远超当时世界第2位的中国,但2015年中国超过美国跃居世界首位。科技发达国家在物理学领域的SCI论文数量保持稳定,年均增速低于5%。前后两个5年期相比,中国论文的世界份额增长6.7个百分点,从2006–2010年的14.9%增长到2011–2015年的21.6%（见
图1、
表1）。
2.2 学术影响力
论文发表后的被引频次是评价学术成果影响力的基本指标,国家的被引频次总数可以从一定程度上反映国家学术影响力的整体水平。
美国位居物理学引文排行榜的“榜首”,2011–2015年,全球30.8%的物理学SCI论文被引频次来自于美国。中国位列排行榜的第2位,引文世界份额为20.1%（见
表2）。
前后两个5年期相比,中国物理学SCI论文的整体学术影响力大幅提升,引文世界份额由2006–2010年的12.5%上升至2011–2015年的20.1%,提升了7.6个百分点。同期,其余TOP20国家（地区）的引文世界份额变化不大或呈下降趋势（见
表2）。
国家的被引频次指标是从国家整体发文角度来描述国家的学术影响力。国家发表论文的数量越多,其被引频次增加的可能性也会相应增加,因此该指标受国家产出规模的影响较大。篇均引文指标描述了每篇论文收到的平均被引频次,可以从一定程度上消除论文数量对被引频次的影响,揭示国家科研成果的相对影响力。
图2中TOP10国家的篇均引文对比数据表明：2011–2015年,美国、英国与德国位居TOP10国家的前三位,篇均引文都超过了10。其他科技发达国家（意大利、法国、日本）的指标“得分”均超过了世界基准线（7.05）。中国论文的篇均引文为6.5,低于世界基准线,与其他TOP10国家相比有一定差距。
表2的数据表明美国、中国分别位列世界引文排行榜的第1和第2位。为进一步比较两个国家论文学术影响力的分布差异,本小节按照被引频次居于前5%、5%~10%、10%~20%、20%~50%和50%~100%的不同影响力区间,将物理学SCI论文划分为5个等级,比较中国与美国在不同等级被引频次的论文分布特点。
图3给出了2011–2015年中国与美国在不同等级区间发表SCI论文的数量分布。
图4展示了中国、美国在物理学领域不同等级论文占本国论文的份额。可以看出,在高被引阈值区间（TOP 5%）,美国论文本国份额为9.1%,中国仅为4.5%,与美国相差4.6个百分点;而在低被引区间（TOP 50%~100%）,中国论文份额为50.4%,而美国仅为35.5%。中国与美国SCI论文在影响力区间分布的差异,即美国在高被引频次区间的论文份额高于中国,低被引频次区间的论文份额低于中国,说明中国与美国论文被引频次具有不同的等级分布特点。
综上所述,2006–2015年的10年间,与自身相比,中国物理学领域的SCI论文在产出规模和学术影响力方面都取得了长足的进步,论文数量已经跃居世界首位,论文被引频次位列世界第2位。然而,在与世界科技强国的横向比较中可以看出：虽然中国论文的总被引频次处于世界领先位置,但篇均引文依然落后于主要科技发达国家;与美国相比,中国SCI论文在低被引区间的分布占比更大。中国物理学界未来应进一步关注研究质量的提升,缩小与美国等科技发达国家在学术影响力方面的差距。
3 高被引论文
随着科研成果的海量剧增,对科研成果质量的关注程度日益凸显。科学的重大进展往往取决于为数不多的重要成果的巨大推动作用。除少部分超越同行认知范围的研究工作外,绝大多数重要成果在发表后能获得较高的同行关注度与被引频次。因此科研评价中常用被引频次来测度成果的影响力。本节以被引频次居于前5%的SCI论文作为高被引论文分析依据,以评估各国物理学重要科研成果的产出能力。
2011–2015年,美国在物理学高被引论文产出方面领先于其他国家：全球34.3%的高被引论文来自美国。中国和德国分别位列高被引论文排行榜的第2、3位。前后两个5年期相比,美国高被引论文的世界份额下降了5.4个百分点,中国上升了10.4个百分点,其余TOP20国家的高被引论文份额变化不大。从世界排名看,位于排行榜“尾部”的伊朗的高被引论文世界排名前进了14名,进步显著（见
表3）。
中国高被引论文数量增长迅猛,2011–2015年中国发表的SCI论文中共有12 082篇入围高被引论文榜,比2006–2010年的5 266篇增长1.3倍,世界份额由11.7%上升到22.1%,增长10.4个百分点。同期,其余TOP20国家的高被引论文世界份额增长量不超过2个百分点。前后两个5年期相比,中国的高被引论文数量世界排名前进了1位,并缩小了与美国的差距,2006–2010年,中国的高被引论文数量相当于美国的29.4%,2011–2015年,这一比值增至64.5%（见
表3）。
高被引论文的本国份额指高被引论文数量占本国全部论文数量的比例。这一指标可以揭示高被引论文产出的效率。产出效率越高,说明用相对较少的论文产出了相对较多的高被引论文。由于本报告中高被引论文的遴选阈值为5%,因此5%可视为世界平均水平或基准线。
图5展示了2011–2015年物理学高被引论文数量TOP4国家——中国、美国、德国与英国的高被引论文的本国份额。从
图5可以看出,2006–2015年间,中国在高被引论文数量迅速增加的同时,高被引论文的本国份额呈现出快速上升的态势。2006年,中国高被引论文的本国份额为4.1%,低于世界平均水平;2012年,中国开始超越5.0%的世界基准线;2015年中国的份额攀升至6.6%。
相比之下,2006–2015年,美国高被引论文的本国份额基本稳定在9.3%~9.6%的高位;德国和英国的高被引论文本国份额缓慢增长,2015年,两国的份额分别为8.7%和9.9%（见
图5）。
虽然与自身相比,中国高被引论文的产出效率不断提高,但与美国、德国和英国相比,仍然存在显著差距。即使中国2015年的数据相较上述3个国家2006年的数据仍然有差距。
4 重要期刊论文
上一节从高被引论文的视角观测了中国在重要成果发表方面的表现。除高被引论文之外,在科学共同体公认的具有很高学术声望的期刊上发表论文的情况可以从同行评议的角度揭示科研成果的学术价值。本节将以《自然》（Nature）和《科学》（Science）两本综合性期刊上发表的物理学论文、美国物理学会出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）论文为样本数据,从重要学术期刊的角度来分析物理学领域重要成果的产出情况。
4.1 《自然》和《科学》论文
从《自然》和《科学》刊载不同学科论文的数量看,2006–2015年,生物学、医学是发文量最大的两个学科,物理学领域居于第3位,两刊的物理学发文量分别为844篇和938篇（见
图6）。
与《自然》相比,《科学》刊载物理学论文的份额更高。2006–2015年期间《科学》刊载物理学领域论文的份额始终高于《自然》。以2015年为例,《科学》发表论文的12.1%属于物理学领域,同期《自然》的物理学论文占比为7.0%（见
图7）。
比较两种期刊发表物理学领域论文数量的变化,发现《自然》的物理学论文份额近年来呈现下降态势,从2006年的10.0%降到2015年的7.0%;而《科学》则平稳有升,2015年为12.1%（见
图7）。
2006–2015年,美国在《自然》和《科学》上发表的物理学论文数量远超其他国家（地区）。10年间两种期刊上物理学论文来自美国的比例超过60.0%。以2015年为例,美国的论文量为97篇,而发文量居于第2位的德国仅为37篇,揭示出美国在两刊物理学领域发表成果的显著优势（见
图8、
表4）。
中国在《自然》和《科学》上发文数量表现出上升态势：虽然2006年中国仅发
表1篇物理学论文,但之后发文量稳步增加,每年发表的物理学论文数量约为十几篇。2015年发表了16篇论文,居于当年两刊发文国家（地区）的第7位。
由于被引频次指标在很大程度上与引用时间窗长短有关,发表在不同年份的论文由于被引用的时间窗不同,难以直接比较被引频次的高低。为了对比国家学术影响力在不同时间窗的差异,同时揭示不同国家学术影响力在世界范围内的地位,本节用被引频次的世界份额这一指标来分析学术影响力情况。
与发文数量的表现相似,美国发表在《自然》和《科学》上的物理学论文的学术影响力同样具有领先优势。2006–2015年前后两个5年期,美国的被引频次份额均高于65.0%,分别领先第2名德国50.5个百分点（前5年）和43.0个百分点（后5年）。除美国和德国之外,英国与法国的学术影响力也具有一定优势：2011–2015年两国的被引频次份额分别为15.6%和11.3%（见
图9）。
中国在发文数量取得进步的同时,学术影响力也在不断提升：2011–2015年,中国发表在《自然》和《科学》两刊上的物理学领域论文的被引频次份额由前一个5年期的5.5%增加至9.9%;相应的世界排名也从第7位上升至第5位,揭示出中国在《自然》和《科学》发表的论文受到越来越多的关注（见
图9、
表5）。
4.2 《物理评论快报》论文
从发表论文的数量看,2006–2015年,美国学者是《物理评论快报》论文的主要贡献者：2015年《物理评论快报》刊载论文共计2 501篇,其中来自美国的论文为1 104篇,占比达到44.1%。这一份额与2006年（46.7%）相比变化不大,揭示出美国在《物理评论快报》的发文优势保持相对稳定（见
图10、
表6）。德国在《物理评论快报》的发文数量虽然与美国有一定差距,但较之其他国家具有领先优势：2015年,德国的发文量为640篇,居于该刊发文最多国家的第2位。同期,英国、法国和中国分别位列第3~5位,发文量分为426、400和306篇,相较美国和德国还存在一定的差距（见
图10）。
2006–2015年期间,中国在《物理评论快报》发表的论文数量快速增加：2006年中国发表论文211篇,位列该刊发文最多国家的第10位;2015年中国发表论文的数量达到306篇,排名第5位,论文数量增加了45.0%,世界排名前进了5个位次,进步显著（见
图10、
表6）。
2006–2015年,美国在《物理评论快报》发表论文的被引频次约占该刊全部被引用次数的50%,远远超过排名其后的德国、法国、英国和日本（见
图11）。
德国虽然与美国存在较大差距,但从前后两个5年期的变化看,德国论文被引情况取得了快速进步,其被引频次占该刊总被引的份额由前一个5年期的23.5%提高至后一个5年期的28.2%,份额变化居TOP20国家的第2位,仅次于中国（见
表7）。
2006–2015年间,中国在《物理评论快报》发表论文的学术影响力不断上升：前一个5年期,中国被引频次世界份额为6.9%,后一个5年期提升至12.8%,提高了约6个百分点。与此同时,中国的世界排名也在不断前进,相继超过了意大利、日本,从第7名前进至第5名（见
图11、
表7）。
5 国际合作
5.1 国际合作与自主研究
在科技发展日趋国际化的今天,国际合作已成为国家科技发展战略中的重要组成部分。无论是发达国家要保持在科学前沿领域的领先地位,还是发展中国家在原本较落后的起点上实现局部突破、跨越式发展,都有必要通过国际合作在全球范围内整合资源,以求有效提升本国自主创新研究能力。本报告基于SCI论文分析各国在物理学领域的国际合作,同时挖掘各国自主研究的特征,以期为决策者制定有效的国际合作政策提供参考。在文献计量研究中,国际合作论文是指署名国家超过一个的论文,自主研究论文指署名国家只有一个的论文。
对于既定国家而言,国际合作论文与自主研究论文组成了该国的全部论文。在基于SCI论文的国际合作分析中,国际合作论文与自主研究论文的本国份额可以揭示各国国际合作与自主研究的相对强度。两者的份额关系是此消彼长的,即国际合作份额上升的同时自主研究份额在下降。
表8列出了TOP20国家（地区）自主研究与国际合作SCI论文的数量与份额。由于欧盟一体化及地域接近等原因,德国、法国与英国等主要欧洲国家的国际合作论文份额超过了50.0%。但对于TOP20国家（地区）中的其他国家（地区）而言,自主研究论文的份额通常高于国际合作论文的份额。因此,自主研究仍是物理学领域的主要工作模式。
2011–2015年,中国物理学领域SCI论文的自主研究份额（76.7%）略低于伊朗（78%）,列TOP20国家（地区）的第2位。相应地,中国的国际合作论文份额则低于绝大多数TOP20国家（地区）,揭示出中国在开展国际合作方面有较大的提升空间（
表8）。
2011–2015年物理学领域TOP20国家高被引论文的国际合作率高于整体论文。前后两个5年期相比,除中国、俄罗斯与波兰外,其他TOP20国家高被引论文的国际合作率都有不同程度的提高。
以往的文献计量统计表明
1(《中国基础研究国际竞争力蓝皮书2015》,
http://ddl.escience.cn/f/GBWE.)：与全部SCI论文相比,高被引论文在更大程度上依赖于国际合作。物理学领域高被引论文的数据与此一致（见
表9）。2011–2015年,除中国、印度和伊朗之外,其他TOP20国家高被引论文的国际合作率均高于50%,反映了这些国家的高被引论文主要来自国际合作研究,从另一个角度揭示出国际合作可以有效地提升学术影响力的扩散程度。
在TOP20国家中,美国的国际合作论文份额为51.1%,低于绝大多数TOP20国家,表明美国的高影响力论文对国际合作的依赖相对较低。
比较前后两个5年期高被引论文国际合作率的变化,除中国、俄罗斯和波兰之外,其他TOP20国家高被引论文的国际合作率均有不同幅度的提升。中国的国际合作率从2006–2010年的42.1%小幅降至2011–2015年的41.0%。
5.2 国际合作网络
本节在构建世界各国物理学领域国际合作关联数据的基础上,绘制了国际合作网络图（见
图12）,旨在从网络视角出发揭示各国在物理学国际合作研究中的重要程度。为了量化合作网络中各国的重要程度,本节引入PageRank的算法作为计算网络中心度的依据（计算方法见文本框1）,以描述不同国家在国际合作网络的地位（见
表10）。国家的中心度指标“得分”不仅与合作国家的数量及合作强度有关,还与该国合作对象在网络中的重要程度有关。
文本框1 网络中心度指标
网络中心度指标PR(i)计算公式如下：
$R(i)=\frac{1-d}{n}+d*\sum_{j=1}^{n} \frac{R(j)}{C(j)}$
其中,PR(i)是国家i的网络中心度“得分”,n代表总的国家数量,j是与国家i有合作关系的国家,PR(j)是国家j的网络中心度“得分”,C(j)是国家j与各国的合作论文数之和,d是一个衰减因子,通常取值为0.85。
图12展示了2011年与2015年物理学领域的国际合作网络关系。在相同的阈值下,与2011年相比,2015年物理学国际合作网络的节点（国家/地区）数量显著增加,表明越来越多的国家（地区）参与了物理学领域的国际合作研究。同时,2015年的网络连线（国家/地区之间的合作链）数远远高于2011年,国家（地区）之间的合作强度明显增强,说明物理学领域国际合作呈现出日益紧密的特征。
表10列出了2011年与2015年物理学国际合作网络的TOP20国家。TOP20国家按照相应年度的PageRank指标遴选。从
表10中可以看出,美国始终处于国际合作网络的中心,两个年度的中心度“得分”均高居各国之首,揭示出美国在物理学领域国际合作网络中居于核心地位,是该领域国际合作的重要国家。但较之2011年,美国在2015年的中心度“得分”有所下降,表明随着其他国家（地区）之间国际合作的日益加强,合作行为更为频繁、合作范围更为广泛,美国在国际合作网络的中心位置有所下降。
中国在国际合作网络的地位有所加强,中心度世界排名从2011年的第5位上升到2015年的第3位。从2015年的中心度指标“得分”看,中国在国际合作网络中的地位略低于德国,但距离美国仍有较大差距（见
表10）。
6 分支学科布局
根据研究内容的差异,可以将物理学划分为12个分支学科。对于各国而言,分支学科的发展既体现了国家社会经济的发展需求,也折射出其相关研究工作的基础和水平。因此,国家的分支学科结构是在宏观层面科技决策调控和微观层面学科发展水平双力驱动下形成的特质化结构。本节将对主要国家物理学12个分支学科的分布格局进行分析,旨在对比不同国家分支学科的结构特点,并对中国12个物理学分支学科的表现进行了横向比较。
6.1 产出规模
科研产出规模是反映学科发展态势的基本特征。在文献计量研究中,论文数量经常被用于描述或评价领域的产出规模。科研产出规模的大小主要取决于其研究对象和研究内容的广泛程度,因此,产出规模可以在一定程度上反映学科所处的发展阶段、发展水平、研究队伍建设等信息。
表11列出了物理学12个分支学科2006–2015年间SCI论文数据,作为分析物理学分支学科产出规模的主要依据。
表11的数据揭示出,凝聚态物理是物理学领域产出规模最大的分支学科,2006–2015年的论文总数占物理学领域全部论文的份额为28.4%,达到519 753篇,反映出其科研体量远远超过物理学领域的其他分支学科。
2006–2015年,光学的论文数量为297 047篇,仅次于凝聚态物理的体量。光学的科研产出规模排在物理学12个分支学科的第2位,占全部论文的比例为16.2%（见
表11）。
除凝聚态物理、光学之外,物理学领域的其他分支学科的产出规模相对较小,各学科占物理学领域的论文份额均不超过10.0%。在各分支学科中,声学论文数量最少,其次是核物理（见
表11）。
从2006–2015年各分支学科论文数量的变化看（见
表11）：物理学各分支学科SCI论文数量保持相对稳定,反映出物理学领域发展平稳的特点。相对而言,热力学是2006–2015年发展速度最快的分支学科,其论文数量从2006年的6 483篇增加到2015年的13 773篇,年增速为8.7%,居于各分支学科之首。12个分支学科中,核物理的发展最为平稳,2006–2015年期间的SCI论文数量变化最为微小。
6.2 主要国家物理学分支学科结构
对于既定的国家而言,分支学科结构指各分支学科在相应学科领域中的分布格局。在文献计量研究中,SCI论文数量是描述学科分布特点最为基础的指标。由于不同分支学科研究体量的差异,各分支学科之间的论文数量很难直接对比分析,因此本报告在描述学科结构时使用“世界总量”进行归一化处理（世界份额）,从而使各学科在整个国家体系中的分布具有可比性,揭示具有本国相对优势的学科布局。
表12列出了2011–2015年论文产出TOP10国家在2011年与2015年物理学领域各分支学科的SCI论文数量及世界份额,雷达图（
图13）可以直观地看出TOP10国家的分支学科结构的特点。
观察
图13,从2015年各国家（地区）分支学科论文世界份额的数据可以看出,粒子与场物理是多数TOP10国家（除韩国、日本和中国之外）的本国优势分支学科;核科学技术是多数TOP10国家（除韩国、日本和法国之外）相对薄弱的分支学科。但整体而言,TOP10国家在物理学领域各分支学科世界份额的结构形状相异,表现出各有所长,特色不一的特点。
以美国与中国为例对比分析两国分支学科格局的差异,数据表明中国与美国在一定程度上呈现出互补特征,即中国的产出优势学科恰为美国的产出薄弱学科,而中国产出弱势学科是美国的强势学科。中国在光学、热力学、凝聚态物理方面具有相对产出优势,而美国则在粒子与场物理、生物物理、原子分子和化学物理具有显著优势。
由于学科结构的形成受多种因素影响,而各国又有着不同的国情和科学基础,因此,很难给出孰优孰劣的评判标准。但是分析和描述各国学科结构的差异,有利于了解其他国家科研力量的分布格局,为调整和优化本国学科布局提供参考依据。
6.3 中国物理学分支学科表现
表13列出了2006–2015年间中国物理学领域各分支学科的论文数量及世界排名等数据。从SCI论文数量看,2011–2015年,中国在凝聚态物理、光学、光谱学和热力学4个领域居于世界第1位。从世界份额看,上述4个领域均超过了20%。其中,光学领域的世界份额接近30%。从论文数量世界排名的变化看,中国在核科学技术方面的进步幅度最大,从2006–2010年的世界第7位进步至2011–2015年的世界第2位。
在学术影响力方面,从
表14的数据可以看出：2011–2015年中国在凝聚态物理、光学、核物理3个分支学科的引文世界份额超过了20%。核科学技术是中国引文世界份额最低（10.7%）的分支学科。从引文份额的变化看,中国各分支学科在前后两个5年期均取得了进步。
由于引文世界份额在很大程度上与论文数量相关,篇均引文指标可以规避论文体量对引文数量的影响。此外,考虑到不同分支学科篇均引文与学科性质有关,本小节设计了相对篇均引文指标,即篇均引文与世界均值的比值,旨在对各分支学科的引文特征进行归一化处理。
表14列出了各分支学科的相对篇引文指标。相对篇均引文大于1说明中国在该分支学科的篇均引文高于世界基准线,反之则低于世界基准线。从各分支学科的相对篇均引文指标看,中国在粒子与场物理、核物理2个分支学科的表现高出世界平均水平;凝聚态物理、生物物理刚刚达到世界均值;光学和光谱学与世界均值存在较大差距。
从高被引论文的产出数据看（见
表15）,中国各分支学科的世界排名及世界份额均在不断进步。其中凝聚态物理和生物物理的世界份额在前后两个5年期均提升了约17个百分点,分别达30.0%和26.3%。从高被引论文的本国份额看,生物物理与凝聚态物理得分依然位于各分支学科前列,说明这两个分支学科高被引论文的产出效率相对较高。
7 结语
科学研究是人类社会最复杂的智力活动之一,无论是定性判断还是定量分析都难以全面和准确勾勒学科发展的全貌。本文以SCI论文数据为依据,用定量方法描绘了2006–2015年中国与世界物理发展态势的若干特征。虽然定量指标不可能全面洞悉学科发展的微观细节,但是以海量数据为基础的分析却可以在一定程度上揭示学科发展的宏观轮廓。
文献计量分析表明,2006–2015年中国在物理领域有以下表现。中国物理学领域的产出与学术影响力规模具备优势。2015年中国物理学论文数量为51 670篇,位居世界第1位;从学术影响力看,2011–2015年中国物理学的引文数量居于世界第2位,相比前一个5年期,引文世界份额上升了7.6个百分点。在重要成果产出方面,2011–2015年,中国物理学TOP5%高被引论文数量居于世界第2位。在物理学领域重要期刊发文上,中国仍有较大提升空间。《自然》和《科学》刊发的物理学论文中,中国由2006年的1篇增加至2015年的16篇,位列2015年两刊发文国家的第7位。2015年,中国在《物理评论快报》发表论文的数量达到306篇,居于该刊发文最多国家中的第5位。在国际合作方面,中国在物理学领域的国际合作网络中心度的世界排名从2011年的第5位进步至2015年的第3位。从分支学科表现来看,中国在凝聚态物理发表SCI论文的数量、高被引文数量和学术影响力规模均表现突出。
回顾过去,展望未来,中国物理学研究仍需继续加强学术积累,激发原创性科学思想的产生及高影响力科研成果的产出,实现由物理大国向物理强国的转型。祝愿中国科学家在发现与创造性的征程上不断开拓进取,为推动中国成为物理学强国做出贡献。
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